An in vitro method for the error assessment of Phase Contrast Magnetic Resonance lmaging based velocity measurements and calculation of derived Wall Shear Stress

par Marco Castagna

Thèse de doctorat en Technologies biomédicales

Soutenue le 09-07-2020

à Nantes , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Rennes) , en partenariat avec L'Unité de Recherche de l'Institut du Thorax (Nantes) (laboratoire) .

Le président du jury était Elie Mousseaux.

Le jury était composé de Monica Sigovan, Perrine Paul-Gilloteaux.

Les rapporteurs étaient Laurent David, Jacques Felblinger.

  • Titre traduit

    Méthodologie in vitro pour l’évaluation des erreurs des mesures de vitesse et du calcul dérivé du Wall Shear Stress obtenus à partir des données IRM à contraste de phase


  • Résumé

    L’athérosclérose représente environ 21 % des décès dans le monde. Elle se développe principalement dans des sites spécifiques du système cardiovasculaire où le Wall Shear Stress (WSS) peut s’écarter plus facilement de ses valeurs de référence. Les applications cliniques potentielles du WSS comme biomarquer reposent sur une évaluation précise de la vitesse du sang, car il dépend de la dérivée de la vitesse à la paroi artérielle. Le présent travail vise à concevoir et à développer un banc d’essai hydraulique pour valider les acquisitions de vitesse obtenues par la Phase Contrast Magnetic Resonance Imaging (PC MRI) et le calcul du WSS dérivé. Pour ce faire, des profils de vitesse de référence ont été obtenus avec la Vélocimétrie Laser à effet Doppler (LDV) utilisés pour comparaison directe avec les résultats de la PC MRI. L’installation expérimentale développée est composée d’une pompe compatible avec l’IRM, de tuyaux de raccordement flexibles, d’une section d’essai, d’un réservoir, d’un fluide et d’un débitmètre. Une séquence standard 2D PC MRI et une séquence standard 4D Flow MRI ont été utilisées pour obtenir des profils de vitesse IRM, en ajustant leurs paramètres comme dans la pratique clinique. Ensuite, la résolution spatiale et temporelle des acquisitions 4D Flow MRI a été raffinée. Le WSS a été calculé avec les méthodes 2D et 3D proposées respectivement par Stalder et al. et Potters et al. Les résultats indiquaient un excellent accord entre les données de vitesse et WSS obtenues par PC MRI et LDV. Cette étude constitue une base fiable pour toute validation avec LDV des méthodes IRM 4D Flow pour le calcul WSS.


  • Résumé

    Atherosclerosis accounts for about 21% of deaths worldwide. It develops primarily in specific locations of the cardiovascular system where the Wall Shear Stress (WSS) can deviate more easily from its baseline values. Potential clinical applications of WSS as a biomarker rely on an accurate assessment of blood velocity in patients since it is defined from the derivative of blood velocity at the arterial wall. The present work aims to design and develop a hydraulic test rig to validate Phase Contrast Magnetic Resonance Imaging (PC MRI) velocity acquisitions and the computation of derived WSS. To do that, reference velocity profiles were obtained with Laser Doppler Velocimetry (LDV) and employed as a standard for direct comparison with PC MRI results. The experimental set-up was composed of an MRI compatible pump, flexible connection pipes, a test section, a reservoir, a working fluid, and a flowmeter. One standard 2D PC MRI and one standard 4D Flow MRI sequences were employed to obtain MRI velocity profiles, adjusting their parameters as in clinical practice. The WSS was calculated with the 2D and 3D methods proposed respectively by Stalder et al. and Potter et al. A second experimental campaign was performed with the refinement of the data spatial and temporal resolution, employing only the 4D Flow MRI sequence. Results indicated an excellent agreement between MRI and LDV velocity and WSS data. This study represents a reliable basis for any validation with LDV of 4D Flow MRI based methods for WSS calculation.


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