Développements en IRM quantitative de perfusion pour le diagnostic de fibrose myocardique

Developments in quantitative perfusion MRI for the diagnostic of myocardial fibrosis

• Auteur / Autrice : Jean-Sébastien Louis
• Direction : Christian de Chillou, Marine Beaumont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale BioSE - Biologie, Santé, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie adaptative diagnostique et interventionnelle (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Magalie Viallon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian de Chillou, Marine Beaumont, Franck Kober, Nadjia Kachenoura, Faiez Zannad
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Kober, Nadjia Kachenoura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Recalage d'images

Fibrose

Imagerie pour le diagnostic

Insuffisance cardiaque

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Imagerie par Résonance Magnétique (IRM)

Caractérisation myocardique

Volume extracellulaire (ECV)

Fibrose

Rehaussement dynamique de contraste (DCE)

Quantification de perfusion

Perméabilité

AIF

Recalage d’images dynamique de perfusion

Magnetic Resonance Imaging (MRI)

Myocardial characterization

Extracellular Volume fraction (ECV)

Fibrosis

Dynamic Contrast Enhancement (DCE)

Perfusion quantification

Permeability

AIF

Perfusion images registration

Résumé

L’insuffisance cardiaque est un enjeu de santé publique majeur dans les pays occidentaux. Ce syndrome complexe peut être la résultante de pathologies sous-jacentes du myocarde comme le dépôt de fibrose, diffusant sur l’ensemble du tissu myocardique. L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est la modalité de référence dans l’exploration clinique des tissus mous du tissu myocardique. Plusieurs biomarqueurs d’IRM comme le temps de relaxation T1 ou encore la quantification du volume extracellulaire (ECV) ont révélé leur utilité clinique dans le diagnostic de fibroses localisées. L’IRM avec injection de produit de contraste a également montré son fort pouvoir diagnostic dans la détection de lésions post-infarctus. Le suivi dynamique de rehaussement de contraste (DCE) semble être une technique prometteuse dans la différenciation de zones dont la perfusion/perméabilité tissulaire est altérée par un dépôt fibrotique. Dans ces travaux de thèse, nous sommes partis de l’hypothèse que la quantification de la perméabilité cardiaque et l’extraction du volume extracellulaire extravasculaire Ve, permettraient la détection de lésions diffuses avec comme corolaire un raccourcissement de la durée totale d’examen pour l’estimation de l’ECV. Ce mémoire présente dans un premier temps, les travaux méthodologiques mis en œuvre pour permettre l’analyse quantitative DCE myocardique. Pour cela, une méthode de reconstruction de fonction d’entrée artérielle est présentée afin de permettre la quantification DCE sans séquence ou protocole spécifique. Un algorithme de recalage des images dynamiques est décrit, afin de rendre possible l’analyse sous forme de cartes paramétriques. Les conditions d’acquisition des données ont également été étudiées par simulations de Monte-Carlo et cela a permis de proposer un protocole le plus court possible pour l’estimation de Ve. Dans un second temps, les résultats obtenus par analyse DCE ont été comparés aux résultats obtenus par analyse ECV dans le diagnostic de fibrose diffuse. Une corrélation entre ces deux paramètres a été démontrée sur un groupe de 12 patients présentant un prolapsus de la valve mitrale. Un test de permutation a permis de séparer l’échantillon en deux sous-groupes de manière équivalente à l’ECV. Ces travaux de thèse proposent un flux de post traitement complet d’analyse quantitative DCE myocardique et ouvrent la voie à une estimation plus rapide du volume extracellulaire pour la quantification de la fibrose diffuse myocardique.

Heart failure represents a major public health issue in western world. It is a complex syndrome that could be the cause and/or the consequence of underlying pathologies such interstitial diffuse fibrosis. Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the reference imaging modality for soft tissue assessment and especially the myocardium. Several imaging biomarkers such relaxation time T1 or extracellular volume fraction (ECV) have proven their diagnostic power in term of sensitivity and specificity. MRI with contrast agent injection has also demonstrated its usefulness in diagnostic of post-infarct local fibrosis for instance. Dynamic contrast enhancement (DCE) is widely investigated for its supposed ability to discriminate areas from which perfusion/permeability properties have been altered by the presence of fibrosis deposition. We hypothesized that the quantification of myocardial permeability and the estimation of the extracellular extravascular volume fraction Ve could led to a better detection of diffuse fibrosis. Consequently, we investigated the possibility of a shorter protocol for the evaluation of ECV. In this manuscript, we first present the methodological developments that allow the quantitative analysis of DCE cardiac MRI. This implied the development of a post-processing method for Arterial Input Function reconstruction, allowing DCE quantification without the need of specific sequences or protocols. A post-processing algorithm for perfusion images registration have been developed for pixel-wise parametric maps reconstruction. Data acquisition have been simulated in a Monte-Carlo fashion in order to assess the impact of acquisition strategies on parameters accuracy. This eventually led to the design of the shortest possible imaging strategy for Ve quantification. Secondly, clinical results obtained with our quantitative DCE analysis framework have been confronted to those obtained with classical ECV method for diffuse fibrosis detection. Correlation between those two parameters have been found a group of 12 patients presenting mitral valve prolapses. Permutation test on Ve distribution allowed us to show a significant difference between two groups the same way the ECV values did. The presented work describes a full quantitative DCE analysis framework that could allow to a shorter imaging protocol for extracellular extravascular estimation for diffuse myocardial fibrosis diagnosis.