Développement de nouvelles séquences d'IRM de diffusion dédiées à la neuro-imagerie

Development of new diffusion MRI sequences dedicated to neuro-imaging

• Auteur / Autrice : Renaud Nicolas
• Direction : Pierre Celsis, Xavier Franceries
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Radiophysique et imageries médicales
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images

Exploration fonctionnelle

Cerveau

Imagerie par résonance magnétique

Neurologie

Mots clés libres

Irm

Diffusion

Cerveau

Q-space

Kurtosis

Traitement d'image

Modélisation

IRM fonctionnelle

Résumé

Le sujet de cette thèse est dédié au développement d'une technique, l'IRM de diffusion, qui permet d'obtenir des images de propriétés micro-structurelles (inférieures à la taille du pixel obtenu par IRM) des milieux biologique, et à son application à l'étude du cerveau. La capacité de cette technique à révéler des modifications précoces de changement micro-structuraux qui sont associés à des modifications métaboliques énergétiques complexes en a fait une méthode de référence pour détecter précocement certaines pathologies focales telles les Accidents Vasculaires Cérébraux Ischémiques. Le lecteur pourra trouver dans cette thèse une introduction complète aux phénomènes physiques de la diffusion brownienne dans les milieux biologiques, de l'IRM et de la RMN de diffusion ainsi qu'une synthèse originale sur les origine biologiques et biophysiques des modifications de Coefficient de Diffusion Apparent observés dans l'ischémie. Afin d'étendre le domaine de l'IRM de diffusion des phénomènes ischémiques focaux (étudiés expérimentalement sur l'homme et l'animal) aux pathologies non focales, l'étude de la déviation à la diffusion gaussienne de l'eau dans les tissus biologiques a été étudiée du point de vue bibliographique et expérimental. Les méthodologies pratiques permettant de traiter et de préparer les images de diffusion pour l'étude des diffusion non gaussienne ainsi que les corrections d'artefacts nécessaires y sont soigneusement décrites. Ceci a pu donner lieu à une étude des modèles de diffusion non gaussienne en tant que problématique inverse et à des applications dans la détection de la Maladie d'Alzheimer, caractérisée par des lésions peu focales et microscopiques. Enfin, nous avons mis au point trois approches originales de développement technologiques de séquences d'IRM de diffusion ainsi que les traitements d'images associés nécessaires à leur exploitation. Le premier développement inclut les mesures de diffusion non gaussienne avec variation des temps de diffusion appliquée à l'imagerie à 4. 7 et 7 T. Le second a consisté à mettre en place et tester à 3 T des séquences combinées de diffusion et de transfert d'aimantation permettant d'apporter des indications additionnelles sur la nature de l'eau sondée par l'IRM de diffusion. La troisième approche a consisté à développer à 3 T une méthodologie d'IRM fonctionnelle du tenseur de diffusion destinée à expérimenter les postulats biologiques résumés dans la première partie de cette thèse concernant le rôle potentiel de l'eau et de sa biologie dans les phénomènes d'activation cérébrales fonctionnelles. Au fil des validations, les hypothèses sur les micro-structures des milieux biologiques sont testées et affinées par différentes approches in vivo, ex vivo et in silico, afin d'appliquer les avancées physiques récentes en l'IRM de diffusion à la détection médicale des pathologies focales et non focales et interpréter celle-ci.

This PhD thesis is dedicated to a technique, diffusion MRI, which allow to obtain images of micro-structural properties (inferior to the MRI voxel size) of biological media, and to the application of this technique to study brain. Because of its ability to reveal early micro-structural changes (associated with complex energetic metabolism changes), diffusion MRI is become a reference method to detect focal diseases like ischemic stroke. The reader can find in this thesis a complete introduction to the physical phenomenon related to brownian motion in biological media and those related to diffusion NMR and MRI, and an original synthesis of the biological and biophysical determinisms of the changes of apparent diffusion coefficients observed in stroke animal models. To extend the field of the technique from stroke focal phenomenon (studied experimentally in man an rodents) to non focal pathologies, the study of the deviation of diffusion from Gaussian behaviour has been studied theoretically and experimentally. Pratical methodologies allowing the preparation of diffusion images for non-gaussian diffusion imaging, and artefacts corrections are described here. This work has lead to a study of non-gaussian diffusion MRI signal treated as an inverse problem and to applications for Alzheimer's disease detection, characterized by non-focal and microscopic lesions. Finally, we have developed three original approaches for technological developments of MRI sequences (with the associated image treatment necessary to use them). The first is the development of non-gaussian diffusion together with variation of diffusion time applied to imaging at 4. 7 and 7 T. The second concern the development of magnetization transfer and diffusion imaging that give additional information about water probed by MRI. The latter approach is the development of fonctionnal diffusion MRI at 3 T in DTI mode dedicated to apply the biological hypothesis resumed in the first part of this thesis, concerning the particular role of water in brain activation. With a progression for the experimental validations, hypothesis concerning micro-structures of biological media are tested and validated with different approaches (in vivo, ex vivo, in silico), to apply the recent discoveries concerning the physic of diffusion MRI in order to detect focal and non-focal pathologies and to interpret them.