Diffusion de l'hélium-3 hyperpolarisé dans le tissu pulmonaire : évaluation par différentes techniques IRM

Diffusion of hyperpolarized helium-3 in pulmonary tissue : evaluation by various NMR and MRI techniques

• Auteur / Autrice : Dayane Habib
• Direction : Geneviève Guillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique médicale
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Emphysème pulmonaire

Poumon

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Modèle de Kitaoka

Simulations Monte-Carlo

Résumé

Ce travail présente une étude expérimentale sur l’effet de la diffusion restreinte de l’hélium-3 hyperpolarisé dans l’acinus pulmonaire effectuée à bas champ magnétique 0,1 T. Plusieurs fantômes avec différentes tailles et connections modélisant l’acinus humain sain et à un stade précoce de l’emphysème ont été réalisés selon le modèle de Kitaoka. L'atténuation du signal dévie par rapport au comportement prévu de décroissance exponentielle en G2, G étant l'intensité de gradient. Cette observation indique une certaine ambiguïté sur la possibilité de quantifier de façon absolue le coefficient de diffusion apparent (ADC), sauf dans la limite G faible. Des simulations Monte-Carlo sont en bon accord avec les mesures. Des séquences originales rapides basées sur le principe des échos de spin multiples ont été développées, pour accéder à une valeur globale d’ADC à des temps longs permettant l’exploration du gaz dans toute la structure de branchement de l'acinus. Des mesures sur un modèle animal d’emphysème (rat) ont été comparées à des cartes obtenues à partir d’acquisitions standard avec petits angles de basculement, elles indiquent une augmentation systématique et toujours significative des ADC par rapport au contrôle sain, pour plusieurs protocoles de mesure. La méthode globale a une meilleure sensibilité que la cartographie standard, en outre elle donne un plus fort contraste d’ADC entre animaux sains et avec emphysème du fait de la possibilité d’employer des valeurs de G plus faibles. Ces outils de mesure de diffusion par IRM et RMN des gaz hyperpolarisés ouvrent des voies prometteuses aussi bien pour la physique de la diffusion que pour les applications médicales.

This work presents an experimental study on restricted diffusion of hyperpolarized helium-3 in the pulmonary acinus carried out at a low magnetic field of 0. 1 T. Several phantoms with various sizes and connections modeling the human acinus, either healthy or at an early stage of emphysema, were realized according to the Kitaoka model. Signal attenuation showed deviation from the expected exponential decay in G2, G being the gradient intensity. This observation indicated a certain ambiguity on the possibility of absolute quantification of the apparent diffusion coefficient (ADC), except within the limit of weak G. Monte Carlo simulations were in agreement with measurements. Original fast sequences based on multiple spin echoes were developed, to get a global ADC value at long times informing on the exploration of gas in the whole acinus branching structure. Measurements on an animal model of emphysema (rat) were compared to maps obtained from standard acquisitions with small flip angles, they indicated a systematic ADC increase which was always significant as compared to healthy controls, for several measurement protocols. The global method has a better sensitivity than the standard cartography; moreover it gives a stronger ADC contrast between healthy animals and emphysematous ones, because of the possibility of employing lower G values. These tools of diffusion measurement by MRI and NMR of hyperpolarized gases open promising ways for the physics of diffusion as well as for medical applications.