Low b-values diffusion weighted imaging of the in vivo human heart

par Stanislas Rapacchi

Thèse de doctorat en Imagerie par résonance magnétique

Sous la direction de Pierre Croisille et de Denis Grenier.

Le président du jury était Isabelle Magnin.

Le jury était composé de Pierre Croisille, Denis Grenier, Virginie Callot, Yue Min Zhu.

Les rapporteurs étaient David Firmin, Jacques Felblinger, Jean-Nicolas Dacher.

  • Titre traduit

    Imagerie pondérée en diffusion par faibles valeurs de b du coeur humain in vivo


  • Résumé

    L'Imagerie par Résonance Magnétique pondérée en Diffusion (IRM-D) permet l'accès à l'information structurelle des tissus au travers de la lecture du mouvement brownien des molécules d'eau. Ses applications sont nombreuses en imagerie cérébrale, tant en milieu clinique qu'en recherche. Néanmoins le mouvement physiologique créé une perte de signal supplémentaire au cours de l'encodage de la diffusion. Cette perte de signal liée au mouvement limite les applications de l'IRM-D quant à l'imagerie cardiaque. L'utilisation de faibles valeurs de pondération (b) réduit cette sensibilité mais permet seulement l'imagerie du mouvement incohérent intra-voxel (IVIM) qui contient la circulation sanguine et la diffusion des molécules d'eau. L'imagerie IVIM possède pourtant de nombreuses applications en IRM de l'abdomen, depuis la caractérisation tissulaire à la quantification de la perfusion, mais reste inexplorée pour l'imagerie du coeur. Mon travail de thèse correspond à l'évaluation des conditions d'application de l'IRM-D à faibles valeurs de b pour le coeur humain, afin de proposer des contributions méthodologiques et d'appliquer les techniques développées expérimentalement. Nous avons identifié le mouvement cardiaque comme une des sources majeures de perte de signal. Bien que le mouvement global puisse être corrigé par un recalage non-rigide, la perte de signal induite par le mouvement perdure et empêche l'analyse précise par IRM-D du myocarde. L'étude de cette perte de signal chez un volontaire a fourni une fenêtre temporelle durable où le mouvement cardiaque est au minimum en diastole. Au sein de cette fenêtre optimale, la fluctuation de l'intensité atteste d'un mouvement variable résiduel. Une solution de répéter les acquisitions avec un déclenchement décalé dans le temps permet la capture des minimas du mouvement, c.-à-d. des maximas d'intensité en IRM-D. La projection du maximum d'intensité dans le temps (TMIP) permet ensuite de récupérer des images pondérées en diffusion avec un minimum de perte de signal lié au mouvement. Nous avons développé et évalué différentes séquences d'acquisition combinées avec TMIP : la séquence d'imagerie écho-planaire classique par écho de spin (SE-EPI) peut être adaptée mais souffre du repliement d'image ; une séquence Carr-Purcell-Meiboom-Gill combinée avec une préparation d'encodage de diffusion est plus robuste aux distorsions spatiales mais des artefacts de bandes noires empêchent son applicabilité ; finalement une séquence double-SE-EPI compensant les courants de Foucault et pleinement optimisée produit des images IRM-D moins artefactées. Avec cette séquence, l'IRM-D-TMIP permet la réduction significative de la perte de signal liée au mouvement pour l'imagerie cardiaque pondérée en diffusion. L'inconvénient avec TMIP vient de l'amplification du bruit positif d'intensité. Afin de compenser cette sensibilité du TMIP, nous séparons le bruit d'intensité des fluctuations lentes liées au mouvement grâce à une nouvelle approche basée sur l'analyse en composantes principales (PCA). La décomposition préserve les détails anatomiques tout en augmentant les rapports signal et contraste-à-bruit (SNR, CNR). Avec l'IRM-D-PCATMIP, nous augmentons à la fois l'intensité finale et la qualité d'image (SNR) en théorie et expérimentalement. Les bénéfices ont été quantifiés en simulation avant d'être validés sur des volontaires. De plus la technique a montré des résultats reproductibles sur des patients post-infarctus aigue du myocarde, avec un contraste cohérent avec la position et l'étendue de la zone pathologique. Contrairement à l'imagerie cérébrale, l'imagerie IRM-D par faibles valeurs de pondération in vivo doit être différentiée des analyses IRM-D ex-vivo. Ainsi l'IRM-D-PCATMIP offre une technique sans injection pour l'exploration du myocarde par imagerie IVIM. Les premiers résultats sont encourageants pour envisager l'application sur un modèle expérimental d'une maladie cardiovasculaire [etc...]


  • Résumé

    Diffusion weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI, or DWI) enables the access to the structural information of body tissues through the reading of water molecules Brownian motion. Its applications are many in brain imaging, from clinical practice to research. However physiological motion induces an additional signal-loss when diffusion encoding is applied. This motion-induced signal-loss limits greatly its applications in cardiac imaging. Using low diffusion-weighting values (b) DWI reduces this sensitivity but permits only the imaging of intravoxel incoherent motion (IVIM), which combines both water diffusion and perfusion. IVIM imaging has many applications in body MRI, from tissue characterization to perfusion quantification but remains unexplored for the imaging of the heart. The purpose of this work was to evaluate the context of low b-values DWI imaging of the heart, propose methodological contributions and then apply the developed techniques experimentally. We identified cardiac motion as one of the major sources of motion-induced signal loss. Although bulk motion can be corrected with a non-rigid registration algorithm, additional signal-loss remains uncorrected for and prevents accurate DWI of the myocardium. The study of diffusion-weighted signal-loss induced by cardiac motion in a volunteer provided a time-window when motion is at minimum in diastole. Within this optimal time-window, fluctuation of intensity attests of variable remaining physiological motion. A solution to repeat acquisition with shifted trigger-times ease the capture of motion amplitude minima, i.e. DWI-intensity maxima. Temporal maximum intensity projection (TMIP) finally retrieves diffusion weighted images of minimal motion-induced signal-loss. We evaluated various attempts of sequence development with TMIP: usual spin-echo echo-planar imaging (se-EPI) sequence can be improved but suffers aliasing issues; a balanced steady-state free-precession (b-SSFP) combined with a diffusion preparation is more robust to spatial distortions but typical banding artifacts prevent its applicability; finally a state-of-the-art double-spin-echo EPI sequence produces less artifacted DWI results. With this sequence, TMIP-DWI proves to significantly reduce motion-induced signal-loss in the imaging of the myocardium. The drawback with TMIP comes from noise spikes that can easily be highlighted. To compensate for TMIP noise sensitivity, we separated noise spikes from smooth fluctuation of intensity using a novel approach based on localized principal component analysis (PCA). The decomposition was made so as to preserve anatomical features while increasing signal and contrast to noise ratios (SNR, CNR). With PCATMIP-DWI, both signal-intensity and SNR are increased theoretically and experimentally. Benefits were quantified in a simulation before being validated in volunteers. Additionally the technique showed reproducible results in a sample of acute myocardial infarction (AMI) patients, with a contrast matching the extent and location of the injured area. Contrarily to brain imaging, in vivo low b-values DWI should be differentiated from ex vivo DWI pure diffusion measurements. Thus PCATMIP-DWI might provide an injection-free technique for exploring cardiac IVIM imaging. Early results encourage the exploration of PCATMIP-DWI in an experimental model of cardiac diseases. Moreover the access to higher b values would permit the study of the full IVIM model for the human heart that retrieves and separates both perfusion and diffusion information


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