Méthodologie et évaluation clinique de l'imagerie de l'oxygénation cérébrale par IRM

Methodology and clinical evaluation of cerebral oxygenation using MRI

• Auteur / Autrice : Julien Bouvier
• Direction : Alexandre Krainik, Emmanuel Barbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement
• Date : Soutenance le 16/12/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Grenoble
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Oppenheim, David Chéchin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Kremer, Marlène Wiart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cerveau

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

IRM

Oxygénation

Cerveau

Perfusion

Vasoréactivité

MRI

Oxygenation

Brain

Perfusion

Vasoreactivity

Résumé

Ce travail méthodologique a porté sur la mise en place et l'évaluation d'une technique de cartographie de l'oxygénation cérébrale en imagerie par résonance magnétique (IRM) à 3 T. La technique repose sur la quantification de signaux IRM issus du contraste BOLD (pour « blood level oxygen dependent ») à l'aide d'une approche multiparamétrique (approche mqBOLD pour multiparametric quantitative BOLD) et permet d'obtenir une estimation de la saturation tissulaire en oxygène (StO2). Un premier travail de simulation numérique a porté sur la prise en compte du biais induit par la susceptibilité magnétique de la myéline dans la mesure de StO2. Ce travail a permis de montrer l'influence de l'orientation des fibres de substance blanche par rapport au champ magnétique principal sur la mesure de StO2. La méthode mqBOLD a tout d'abord été appliquée chez l'animal, sur le primate non-humain. L'approche semble suffisamment précise pour observer des différences inter-espèces. Puis, cette approche a été adaptée pour une utilisation en clinique et appliquée à différentes pathologies. Chez des patients souffrant d'un accident vasculaire cérébral à la phase aiguë, nous avons observé une différence spatiale entre les régions pour lesquelles le débit sanguin et la StO2 sont abaissés, différence qui répondrait aux critères définissant la pénombre ischémique. Chez des patients atteints d'une sténose intracrânienne artérielle sévère, nous avons étudié la relation entre la mesure de la vasoréactivité cérébrale avec celle de l'oxygénation. Les résultats montrent une corrélation entre l'altération de la vasoréactivité et celle de l'oxygénation dans le territoire de l'artère cérébrale moyenne. Enfin, nous montrons au travers d'une analyse par cluster que l'étude de l'oxygénation apporte des informations complémentaires aux paramètres de perfusion dans la détermination du grade tumoral. L'ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail démontrent la faisabilité de la cartographie de StO2 par IRM et la complémentarité de cette approche avec les techniques de caractérisation de perfusion tissulaire.

This work focuses on the implementation and the evaluation of a technique to map cerebral oxygenation by MRI at 3T. The technique is based on the quantification of MRI signals from the BOLD contrast (for "blood oxygen level dependent") using a multiparametric (mqBOLD multiparametric approach for quantitative BOLD) and provides an estimate of the tissue oxygen saturation (StO2). A study based on a numerical simulation focused on taking into account the bias induced by the magnetic susceptibility of myelin in the measurement of StO2. This work demonstrated the influence of the orientation of white matter fibers with respect to the main magnetic field on the measurement of StO2. The mqBOLD method was applied in animals, the non-human primate. The approach seemed accurate enough to observe differences between species. Then, this approach was adapted for clinical practice and applied to different pathologies. In acute stroke patients, we observed a spatial difference between the regions with lowered cerebral blood flow and StO2, a difference that could meet the criteria of the ischemic penumbra. In patients with severe intracranial arterial stenosis, we studied the relationship between an estimate of cerebral vasoreactivity and tissue oxygen saturation. The results showed a correlation between impaired vascular reactivity and the oxygenation in the territory of the middle cerebral artery. Finally, we showed, through a cluster analysis, that the study of oxygenation provides additional information to the perfusion parameters and could be useful to determine the tumor grade. The overall results obtained in this thesis demonstrate the feasibility of mapping StO2 by MRI and the complementarity of this approach with techniques for characterizing tissue perfusion.