La possibilité de disposer d’un biomarqueur non-invasif du remodelage des voies aériennes est un enjeu clé pour le suivi des maladies pulmonaires obstructives – asthme bronchique et broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO). En effet, ce remodelage est responsable de la limitation chronique de la ventilation. L’étude du remodelage peut être appréciée au niveau bronchique à partir des techniques d’imagerie tomodensitométrique (TDM). L’examen TDM permet d’obtenir une image des bronches en trois dimensions de manière non-invasive et donne accès à l’estimation de divers paramètres morphologiques tels que : surface de la section luminale bronchique (LA), surface de la section pariétale bronchique (WA), longueur de la bronche (Lg).

L’objectif de cette thèse est de développer une approche automatique de quantification du remodelage bronchique en TDM répondant à des critères de précision et robustesse identifiés. La précision des mesures obtenues sera ainsi évaluée à partir de simulations insilico des couples artères/bronches, alors que la robustesse et la reproductibilité de la technique sera testée en pratique clinique.

La méthode développée (BronCare) repose sur une segmentation automatique des bords intérieur et extérieur de la paroi bronchique par une approche orientée modèle déformable, à partir d’examens TDM réalisés en faible dose d’irradiation. La spécificité du modèle tient à son initialisation forte au niveau de la lumière bronchique, à sa représentation géométrique et topologique adaptée à la morphologie bronchique suivant l’espace d’analyse choisi (2D, en section de coupe et 3D, volumique) et à la définition des forces impliquées dans la formulation discrète de la dynamique de déformation.

Les nouveaux outils d’investigation bronchique qui en résultent ont ensuite été testés et validés de manière quantitative sur des données TDM synthétiques. Ces données sont générées à travers le développement d’un simulateur TDM bronchique 3D, capable de reproduire des images volumiques réalistes de morphologies bronchiques complexes, paramétrables et parfaitement contrôlées.

Sur le plan clinique, la robustesse de la segmentation bronchique obtenue avec BronCare a été testée chez des patients asthmatiques et la reproductibilité des mesures a été évaluée en comparant les résultats obtenus lors d’acquisitions TDM successives (études longitudinales). La méthode a ensuite été comparée à la technique de référence dans la littérature (Full Width at Half Maximum : FWHM) permettant de démontrer la supériorité de BronCare pour détecter les variations de forme des bronches. Enfin, nous avons évalué les modifications des paramètres morphologiques bronchiques après 12 semaines de traitement inhalé chez des asthmatiques. Ce dernier travail a permis de cerner les difficultés de la quantification du remodelage bronchique en TDM. En effet, les limites ne semblent plus seulement liées à la performance de l’approche de segmentation, mais deviennent dépendantes de la chaîne d’acquisition des images et des modifications physiologiques inhérentes aux pathologies considérées. La quantification du remodelage chez l’asthmatique est extrêmement dépendante du calibre bronchique, calibre susceptible de varier en fonction de nombreux paramètres physiologiques (volume pulmonaire), pathologiques (variation du tonus bronchique à l’état basal, réactivité bronchique) et thérapeutiques (variation après application d’un traitement).

En conclusion, les résultats de cette recherche ont permis de développer un outil de quantification à la fois précis et robuste. Cet outil permet de prendre en considération l’hétérogénéité du remodelage le long de l’axe bronchique observé en pathologie. A ce titre, il répond au besoin clinique et semble adapté aux évolutions futures de la technologie TDM.

Mots clés : asthme, broncho-pneumopathie chronique obstructive, remodelage bronchique, examen tomodensitométrique (TDM), quantification automatique, plate-forme logicielle, validation in silico, images de synthèse.