Développement d'imagerie métabolique rapide et robuste chez l'homme à haut champ magnétique

Development of fast and robust metabolic imaging in humans at high magnetic field

• Auteur / Autrice : Thaddée Delebarre
• Direction : Luisa Ciobanu, Nicolas Boulant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Soutenance le 19/01/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Building large instruments for neuroimaging: from population imaging to ultra-high magnetic fields (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Marc Dhenain
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Shaihan Malik, Guillaume Duhamel, Julien Flament
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Shaihan Malik, Guillaume Duhamel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie moléculaire

GlucoCEST

Cerveau -- Vieillissement

Métabolisme énergétique

Imagerie médicale

Imagerie par résonance magnétique à très haut champ

Mots clés libres

Imagerie CEST

IRM

Haut-champ magnétique

Transmission parallèle

Métabolisme cérébral

CEST imaging

MRI

High magnetic field

Parallel Transmission

Cerebral metabolism

Résumé

L'imagerie par résonance magnétique du transfert de saturation par échange chimique (IRM CEST) représente un outil puissant pour l'étude du métabolisme, offrant une résolution temporelle et spatiale supérieure ainsi qu'une sensibilité accrue par rapport à la spectroscopie par résonance magnétique. L'IRM CEST permet la détection indirecte de certains métabolites grâce à l'interaction entre leurs protons et ceux de l'eau. Le CEST peut cartographier le glucose, le glutamate et la créatine, qui sont des métabolites importants impliqués dans les cancers et les maladies neurodégénératives et musculosquelettiques, ce qui en fait un outil de bio-imagerie prometteur. Le développement rapide de l'IRM à haut champ magnétique (≥7 T) au cours des dernières décennies a grandement bénéficié au CEST, ouvrant la voie à de nouvelles applications et suscitant ainsi un intérêt croissant.L'objectif de cette thèse est de développer l'IRM CEST dans un contexte clinique, en tirant pleinement parti des champs magnétiques élevés pour augmenter la robustesse et la vitesse des acquisitions CEST. Pour ce faire, nous nous concentrons sur deux objectifs principaux. Le premier est de développer la méthode d'imagerie CEST dans un environnement clinique, en surmontant les limitations pratiques associées aux scanners IRM cliniques à haut champ, notamment les contraintes strictes du débit d'absorption spécifique (DAS) et des hétérogénéités de champ (B1) des RadioFréquences (RF).Pour atteindre ce premier objectif, une séquence CEST en transmission parallèle a été mise au point. La transmission parallèle utilise une antenne d'émission RF multicanal, qui peut être contrôlée indépendamment pour réduire l'hétérogénéité B1. En utilisant la transmission parallèle, nous avons mis en œuvre une stratégie d'acquisition qui nous a permis de produire des images CEST avec trois fois moins d'hétérogénéité B1, et deux fois plus rapidement que l'état de l'art de la littérature.Le deuxième objectif est d'évaluer la performance du CEST, pondérée en glucose et glutamate, dans la détection et la caractérisation du vieillissement normal et pathologique. Une étude clinique a été réalisée, impliquant des volontaires sains jeunes et âgés ainsi que des patients atteints de la maladie d'Alzheimer. Les résultats ont montré que le CEST peut détecter les variations globales de glutamate et de glucose dans le cerveau associées au vieillissement. L'acquisition et l'exploitation de données provenant de patients atteints de la maladie d'Alzheimer sont, eux, toujours en cours.En conclusion, cette thèse a permis de développer des méthodes CEST à haut champ et d'évaluer leurs performances dans l'étude du vieillissement. Ces résultats ouvrent des perspectives encourageantes pour l'utilisation du CEST comme biomarqueur de la maladie d'Alzheimer et d'autres maladies neurodégénératives.

Chemical Exchange Saturation Transfer Magnetic Resonance Imaging (CEST MRI) represents a powerful tool for the study of metabolism, offering superior temporal and spatial resolution as well as increased sensitivity compared to Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS). CEST MRI enables the indirect detection of certain metabolites through the interaction between their labile protons and those of bulk water. CEST can map glucose, glutamate, creatine, which are important metabolites involved in cancers, and neurodegenerative and musculoskeletal diseases, representing therefore a promising bioimaging tool. The rapid development of high magnetic field MRI ((≥7 T) in recent decades greatly benefits CEST, opening up new applications and generating growing interest.The aim of this thesis is to develop CEST MRI in a clinical context, taking full advantage of high magnetic fields to increase the robustness and speed of CEST acquisitions. To this end, we focus on two main objectives. The first is to develop the CEST imaging method in a clinical environment, overcoming the practical limitations associated with high-field clinical MRI scanners, notably the strict constraints of Specific Absorption Rate (SAR) and RadioFrequency (RF) field heterogeneities (B1).To achieve this first objective, a parallel transmission CEST sequence was developed. Parallel transmission uses a multi-channel RF transmit antenna, which can be controlled independently to reduce B1 heterogeneity. Moreover, parallel transmission also allows optimized energy management using virtual observation points (a strategy developed in the laboratory) By making use of parallel transmission we have implemented an acquisition strategy which allowed us to produce CEST images with three times less B1 heterogeneity, and two times faster than compared to the state of the art literature reports.The second objective is to evaluate the performance of CEST, glucose, and glutamate weighted, in detecting and characterizing normal and pathological aging. A clinical study was carried out, involving young and elderly healthy volunteers as well as Alzheimer’s disease (AD) patients. The results showed that CEST can detect global variations in glutamate and glucose in the brain associated with aging. The acquisition and exploitation of data from AD patients is still in progress.In conclusion, this thesis has enabled the development of high-field CEST methods and the evaluation of their performance in the study of aging. These results open up encouraging prospects for the use of CEST as a biomarker of AD and other neurodegenerative diseases.