Conditions de validité de l'Élastographie par Résonance Magnétique

par Felicia Julea

Thèse de doctorat en Imagerie et physique médicale

Sous la direction de Luc Darrasse.

Soutenue le 14-03-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités (laboratoire) .


  • Résumé

    L’élastographie par résonance magnétique (ERM) est une technique d’imagerie récente, reconnue aujourd’hui comme une méthode pertinente pour la caractérisation mécanique des tissus. Celle-ci représente un intérêt fondamental en diagnostic clinique car le développement d’un processus pathologique s’accompagne la plupart du temps d’altérations des propriétés mécaniques des tissus atteints. L’ERM consiste à enregistrer le champ de déplacement induit au passage d’une onde de cisaillement généré dans le milieu étudié. Les paramètres mécaniques comme la vitesse de propagation de l’onde de cisaillement, vs, et les modules de viscoélasticité de cisaillement, G' et G", peuvent alors être cartographiés.La quantification des paramètres mécaniques par cette technique dépend à la fois de la fréquence de l’excitation mécanique, de la résolution spatiale, a, de l’amplitude des champs de déplacement induits, A, de l’amplitude du rotationnel du champ de déplacement, q, des erreurs de mesure, ΔA et Δq, donc du rapport signal à bruit, RSB, et enfin de la méthode de reconstruction. En inversant les équations différentielles du champ de déplacement acquis selon les trois dimensions de l’espace, ces paramètres ont été considérés pour déterminer la précision et l’exactitude de la vitesse et des modules de viscoélasticité obtenus et établir les conditions de validité de l’ERM.Nous avons ensuite considéré le nombre de voxels par longueur d’onde, λ/a, comme paramètre déterminant des conditions de validité de l’ERM et nous avons caractérisé la qualité des données acquises par le rapport q/Δq. Sur des simulations dans un milieu élastique homogène et isotrope avec un RSB variant entre 5 et 30, la précision et l’exactitude des mesures se sont avérées optimales pour 6 à 9 voxels par longueur d’onde. Nous avons reproduit expérimentalement à 2 kHz les conditions des simulations sur un fantôme d’alcool polyvinylique. Les champs de déplacement 3D ont été acquis à 11,7 T en utilisant une séquence RFE pour des résolutions spatiales isotropes de 150 µm à 300 µm afin de balayer un rapport λ/a de 1 à 20. Les résultats expérimentaux confirment pleinement les prédictions de la simulation. La vitesse de cisaillement diminue et tend vers la vitesse de référence attendue lorsque l’acquisition est réalisée dans le domaine optimal, à savoir ici lorsque a est inférieure ou égale à 200 µm. En outre l’écart-type de la vitesse de cisaillement est réduit dans le domaine optimal. Par conséquent, des estimations plus précises des paramètres viscoélastiques ont pu être déduites.Enfin, nous avons réalisé ces expériences in vivo dans le poumon et le foie de rats Wistar. Les champs de déplacement 3D ont été acquis dans l’IRM 1.5 T avec les deux séquences d’écho de spin et d’écho de gradient sensibilisées au mouvement (RFE et FFE) pour des fréquences d’excitation mécanique allant de 60 Hz à 345 Hz et pour des résolutions spatiales isotropes allant de 1 mm à 1,75 mm, c’est-à-dire pour différents rapports λ/a. L’ensemble de ces mesures a permis de valider in vivo les résultats obtenus par les simulations et d’expliciter la dispersion des résultats observés généralement dans la littérature pour différentes conditions d’acquisition. Le biais et l’incertitude des mesures ont pu être minimisés en ramenant les jeux de données dans la gamme optimale de λ/a, soit par interpolation soit par décimation, et en évaluant la qualité des données résultantes sur q/Δq.Cette thèse montre d’une part que la précision et l’exactitude de l’ERM sont optimales lorsque les acquisitions sont réalisées ou traitées pour un domaine d’échantillonnage de la longueur d’onde déterminé par le RSB. Elle montre d’autre part que la comparaison des résultats obtenus doit être menée dans une gamme similaire de q/Δq. La prise en compte des conditions de validité de l’ERM, déterminées par les rapports λ/a et q/Δq, conduit à une mesure quantitative effective des paramètres mécaniques.

  • Titre traduit

    Conditions of validity of Magnetic Resonance Elastography


  • Résumé

    Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a recent imaging technique, recognized today as a pertinent method for the mechanical characterization of human tissue in vivo. It offers a particular interest in clinical diagnosis because the development of a pathological process is often accompanied by modifications of the mechanical properties of diseased tissues. MRE consists of recording the displacement field along the three spatial dimensions induced by the propagation of a shear wave generated by excitation of the investigated tissue. Mechanical parameters such as shear wave velocity, vs, and shear modulus, G' and G", can then be mapped.The quantification of the mechanical parameters using MRE depends on the frequency of the mechanical excitation, fmec, the spatial resolution, a, the amplitude of the induced displacement field, A and the amplitude of the curl field displacement, q, with associated measurement errors, ΔA and Δq, (related to the signal-to-noise ratio, SNR) and finally the reconstruction method. All these parameters were considered to determine the precision and accuracy of the estimated shear wave velocity and modulus and to establish the conditions of validity of MRE following the inversion of the differential equations of the displacement field. We considered the number of voxels per wavelength, λ/a, as a parameter determining the conditions of validity of MRE and we studied this parameter according to the quality of the acquired data characterized by the ratio q/Δq. On simulations in a homogeneous and isotropic elastic medium with a SNR between 5 and 30, the accuracy and precision of the measurements proved to be optimal for 6 to 9 voxels per wavelength. We experimentally reproduced at 2 kHz the simulations conditions on a home-made polyvinyl alcohol phantom. The 3D displacement fields were acquired at 11.7 T using a motion-sensitive RFE sequence with isotropic spatial resolutions ranging from 150 µm to 300 µm in order to obtain a λ/a ratio ranging from 1 to 20. The experimental results fully confirm the predictions of the simulation. The shear wave velocity decreases and tends towards the expected reference value when the acquisition is performed in the optimal condition, namely here when a is less than or equal to 200 µm. In addition, the standard deviation of the shear wave velocity is reduced in optimal conditions. Therefore, accurate estimation of viscoelastic parameters could be deduced. This thesis first demonstrates that the precision and accuracy of MRE are optimal when the acquisitions are performed or processed for a certain wavelength sampling range determined by the SNR. We also showed that for the comparison of the results to be fair, it must be carried out in a similar range of q/Δq. Taking into account the conditions of validity of MRE, determined by the ratios λ/a and q/Δq, leads to an effective quantitative measurement of the mechanical parameters making it possible to anticipate a relevant clinical diagnosis within the same organ, the same subject, between subjects or over time.


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