Modélisation et simulation multimodales et multiéchelles de l’architecture des fibres myocardiques du cœur humain – MOSIFAH

Les cardiopathies constituent actuellement un problème de santé majeur dans le monde. Selon l’Organisation Mondiale de la Santé, 17.3 millions de personnes en sont mortes à travers le monde en 2008, ce qui représente environ un tiers du nombre total de décès. Malgré plusieurs décennies de recherche fondamentale et de recherche clinique dans le domaine cardiovasculaire, la structure tridimensionnelle (3D) de l’architecture des fibres du cœur humain reste peu connue, alors que cette connaissance est fondamentale pour la compréhension des relations entre la fonction mécanique, l'hémodynamique et les changements structurels accompagnant les maladies cardiaques. La principale raison de cette méconnaissance est l’absence de techniques d’exploration de la structure fibreuse ou musculaire 3D chez l’homme. L’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd), qui inclut l’imagerie de tenseur de diffusion (DTI) et l’IRM de diffusion à haute résolution angulaire (HARDI), a récemment démontré son intérêt pour l'étude du cerveau et apparaît comme un moyen, et sans doute actuellement le seul, d’accéder à l’architecture 3D des fibres musculaires du cœur humain in vivo. Cependant, en raison des propriétés tissulaires du myocarde et de la sensibilité de cette technique au mouvement, il n’a pas été encore possible d’obtenir cette architecture in vivo. Pour résoudre ce problème, nous proposons dans ce projet une approche radicalement nouvelle en nous appuyant sur la synergie entre spécialistes issus de différentes disciplines: spécialistes en traitement d'image, physiciens, mathématiciens et cliniciens. L’idée consiste à modéliser et à simuler l’architecture 3D ex vivo et in vivo des fibres à différentes échelles à partir de données multi-physiques provenant de plusieurs modalités d’imagerie travaillant à différentes résolutions. Pour ce faire, le myocarde sera imagé en utilisant l’imagerie par lumière polarisée et l’IRMd, et différents modèles de diffusion seront explorés : modèles DTI d’ordre 2 et 4 et modèles HARDI comme Q-Ball Imaging (QBI). Les différents types d’images obtenues seront traités dans le cadre mathématique riemannien afin de calculer les tenseurs, le propagateur moyen (Ensemble Average Propagator: EAP) et la fonction de distribution des orientations (ODF). Des structures des fibres cardiaques virtuelles (Virtual Cardiac Fiber Structure : VCFS) seront ensuite modélisées en utilisant des informations sur les fibres provenant de chaque modalité d’imagerie. Finalement, le comportement de la diffusion des molécules d’eau dans ces VCFS sera simulé de manière à la fois ex vivo et in vivo, au moyen de la théorie des spins quantiques afin de calculer des images IRM de diffusion virtuelles à différentes échelles allant de quelques microns à quelques millimètres. Ce type de simulation faisant intervenir un très grand nombre de molécule d’eau, nous utiliserons une grille de calcul pour faire face à l’énorme quantité de ressources nécessaires. Les images IRM de diffusion simulées permettront de construire des atlas multi-échelles et probabilistes décrivant l’architecture 3D des fibres du cœur humain ex vivo et in vivo. Nous pourrons ainsi i) synthétiser une base d’images de diffusion sans bruit ni artéfact qui servira de « vérité-terrain » pour l'évaluation ou la validation d’algorithmes de traitement d'images de diffusion, ii) créer de nouveaux modèles de fibres virtuels réalistes, et iii) construire de nouveaux atlas statistiques ex vivo et in vivo de l’architecture fibreuse du myocarde à différentes échelles qui pourront être exploités pour personnaliser des modèles de cœur patient-spécifiques. In fine, la recherche proposée ouvre une voie complètement nouvelle pour l’étude des maladies cardiaques, incluant la compréhension fondamentale de la physio-pathologie cardiaque, le diagnostic, le suivi et le traitement des patients atteints de cardiopathies.