Développement de l'imagerie de perfusion cérébrale par marquage des spins artériels

Development of brain perfusion imaging using arterial spin labeling

• Auteur / Autrice : Clément Debacker
• Direction : Emmanuel Barbier, Jan Warnking
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les Sciences du Vivant
• Date : Soutenance le 13/06/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des neurosciences de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : François Estève
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Ferré, Jérôme Voiron
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Frank Kober, Luisa Ciobanu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Perfusion

Physiologie

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

IRM

Cerveau

Perfusion

Asl

MRI

Brain

Perfusion

Asl

Résumé

Ce travail de thèse, principalement méthodologique, s'est intéressé aux techniques d'imagerie par résonance magnétique (IRM) permettant de mesurer le flux sanguin cérébral (CBF) et plus particulièrement aux techniques de marquage de spins artériels (ASL), qui utilisent les protons de l'eau du sang comme marqueur. Nous avons mis en place la séquence ASL de marquage pseudo-continu (pCASL) et évalué sa réponse à un stimulus hypercapnique. Nous avons évalué différentes stratégies pour optimiser l'efficacité d'inversion. Pour cela, nous avons également mis en place des outils de simulations numériques des approches ASL. Nos résultats démontrent que l'efficacité d'inversion est influencée par l'homogénéité du champ magnétique dans la région de marquage, ce qui pose un problème à haut champ magnétique. Le protocole pCASL optimisé a ensuite été évalué chez le rat à trois champ magnétiques (4.7, 7, et 11.7T) et comparé avec une approche en ASL continu classique (CASL). Cette comparaison a montré une excellente reproductibilité inter-animal et inter-champ de la méthode développée. Dans une seconde partie, nous nous sommes également intéressés à l'influence du temps de relaxation longitudinal (T1) du tissu cérébral sur les valeurs du CBF calculées. Pour cela, nous avons modifié le T1 du tissu par une injection intra-cérébrale de manganèse. Cette étude a montré la difficulté de prendre en compte le changement de T1 du tissu. Dans une troisième partie, nous avons évalué l'apport d'une antenne de marquage spécifique pour l'approche CASL en comparant les mesures de CBF obtenues avec celles de la pCASL. Nous avons observé une bonne concordance entre ces deux méthodes à travers les coupes. Nos résultats illustrent également l'importante contribution du transfert d'aimantation dans les séquences de CASL. Les outils développés au cours de cette thèse sont en cours d'application dans des protocoles d'étude de modèles de tumeurs cérébrales, d'accident vasculaire cérébral et de traumatisme crânien.

This PhD work, mainly methodological, focused on the techniques of magnetic resonance imaging (MRI) to measure cerebral blood flow (CBF) and more particularly on arterial spin labeling (ASL), which uses water protons from the blood as markers. We implemented the pseudo-continuous ASL labeling sequence (pCASL) and evaluated its response to a hypercapnic stimulus. We evaluated different strategies to maximize the labeling inversion effeciency. For this, we implemented numerical simulation tools of ASL approaches. Our results demonstrated that the inversion efficiency is influenced by the homogeneity of the magnetic field in the labeling region, which becomes a problem at high magnetic field. The optimized pCASL protocol was then evaluated in rats at three magnetic fields (4.7, 7, and 11.7T) and compared with a conventional continuous ASL approach (CASL). This comparison showed excellent inter-animal and inter-field reproducibility of the developed method. In a second part, we evaluated the influence of the longitudinal relaxation time (T1) of brain tissue on the final CBF values. For this, we modified the tissue T1 by an intracerebral injection of manganese. This study demonstrated the difficulty of taking into account the change in T1 of the tissue. In a third part, we evaluated the contribution of a specific labeling coil for the CASL approach by comparing measurements of CBF obtained with that of pCASL. We found a good agreement between these two methods for all slices. Our results also illustrate the significant contribution of magnetization transfer effects in CASL sequence. The tools developed during this thesis were also used in several preclinical studies including brain tumors, stroke and head trauma models.