Quantification of cardiac patterns using a spatio-temporal analysis of the right ventricle in magnetic resonance imaging

Abstract

Abstract. An accurate quantification of the right ventricular function is important to support the evaluation, diagnosis and prognosis of several cardiac diseases, as well to complement the analysis of the left ventricular function. Traditionally, this quantification is performed by the manual delineation of the right ventricle (RV), a time consuming task that introduces high inter and intra observer variability. Different semi-automatic and fully-automatic a- pproaches have been proposed to delineate the RV. Nevertheless, most of these methods, e.g multi-atlas strategies and approaches with training of parameters, are strongly dependent on RV shapes present in the training set utilized. This thesis presents a fully automatic segmentation strategy of the RV in MRI-cardiac sequences to quantify cardiac patterns. Unlike multi-atlas methods, the proposed strategy estimates the RV using exclusively information from the sequence itself. The core of this work is a spatio-temporal analysis that is per- formed by using a motion descriptor and anatomical heart information, taking advantage of natural heart dynamic. This strategy was improved from two perspectives: 1) by introducing a prior regularizer term that smooths the obtained delineation and 2) by propagating the spatio-temporal segmentation from the basal slice to apex using a non-rigid registration. The proposed approach achieves an average Dice Score of 0.78 evaluated in a set of 48 patients.

Resumen. Una precisa cuantificación de la función ventricular derecha es importante para soportar la evaluación, diagnóstico y pronosticó de varias enfermedades cardíacas, como también para complementar el análisis de la función ventricular izquierda. Tradicionalmente, esta cuantificación se realiza mediante la alineación manual del ventrículo derecho (VD), una tarea que consume tiempo e introduce gran variabilidad inter e intra observador. Diferentes enfoques semi y totalmente automáticos han sido propuestos para delinear el VD. No obstante, la mayoría de estos métodos, por ejemplo estrategias multi-atlas y enfoques con entrenamiento de parámetros, son fuertemente dependientes de las formas del VD existentes en el conjunto de entrenamiento utilizado. Esta tesis presenta una estrategia de segmentación totalmente automática del ventrículo derecho en secuencias de resonancia magnética cardiacas para cuantificar patrones cardiacos. A diferencia de métodos multi-atlas, la estrategia propuesta estima el VD usando exclusivamente información de la misma secuencia. El centro de este trabajo es un análisis espacio-temporal que se lleva a cabo mediante un descriptor de movimiento y la información anatómica del corazón, aprovechando la dinámica natural del corazón. Esta estrategia fue mejorada desde dos perspectivas: 1) introduciendo un término regularizador previo que suaviza la delineación obtenida y 2) propagando la segmentación espacio-temporal del corte basal hacia al ápex usando un registro no rígido. El enfoque propuesto logra un Dice Score promedio de 0.78 evaluado en un conjunto de 48 pacientes.