Apport d'un capteur endoluminal pour l'observation de la paroi colorectale par imagerie et spectrométrie de résonance magnétique

Contribution of an endoluminal sensor for the observation of the colorectal wall by imaging and magnetic resonance spectrometry

• Auteur / Autrice : Jean-Marie Verret
• Direction : Olivier Beuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie biologique et médicale. Biotechnologie
• Date : Soutenance le 08/12/2014
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image pour la Santé (Lyon ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Frank Pilleul
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Ratiney, Norbert Noury
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexis Amadon, Fraser Robb, Jean-Michel Serfaty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Cancer colorectal

Colopathies

Mots clés libres

Pathologies du côlon

Capteur endoluminal

Spectrométrie de résonance magnétique

Colorectal pathologies

Endoluminal coil

Magnetic resonance spectra

Résumé

Les pathologies du côlon représentent un enjeu de santé important, en effet l'incidence du cancer colorectal en France le classe au deuxième rang des cancers les plus fréquents et sa mortalité au deuxième rang des cancers les plus mortels. Lors du bilan d'extension du cancer colorectal (CCR), l'IRM est désormais une modalité de choix pour les stades avancés du cancer colorectal. Cependant, malgré des avancées significatives, les capteurs externes multicanaux employés n'autorisent pas encore une résolution spatiale suffisante pour l'observation de la paroi colorectale. Dans cette optique, l'emploi d'un capteur endoluminal pour l'observation par IRM des premiers stades du CCR présente un intérêt. Ainsi, l'objectif de ces travaux de thèse est de proposer et de développer un capteur endoluminal rigide, adapté à l'observation de la partie terminale du tube digestif (rectum et éventuellement sigmoïde). Dans un premier temps, la géométrie de ce capteur endoluminal a été optimisée pour minimiser les non uniformités en sensibilité radiale. Ainsi, il a été montré que deux boucles de courant formant entre elles un angle compris entre 50° et 70° permettent une uniformité en sensibilité radiale optimale, ce qui peut potentiellement permettre une augmentation de la spécificité et de la sensibilité de l'examen IRM pratiqué avec un capteur endoluminal. De plus, la sécurité du capteur endoluminal vis-à-vis de l'échauffement radio fréquence (RF) a été étudié et, comme le montre la littérature, l'ajout de trappes RF permet de diminuer l'échauffement RF sous les limites telles qu'elles sont fixées par la norme IEC 60601 (c'est-à-dire 1°C d''élévation de température induit par la présence du capteur et du câble de réception). Des trappes RF de références, puis des trappes RF miniaturisées, adaptées à l'insertion du dispositif par voie rectale, ont ainsi été développées puis validées sur banc de test et sur l'imageur Discovery MR 750 3T (General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, US). Les conditions de l'expérience visaient à maximiser cet échauffement RF par un choix judicieux de la longueur du câble de réception, du chemin de ce câble de réception et de la séquence d'acquisition. Puis, la conception de ce capteur endoluminal a été optimisée pour permettre l'acquisition d'images de diffusion par IRM et de spectres de résonance magnétique, techniques qui présentent une sensibilité particulière aux inhomogénéités de champ magnétique B0 et donc à l'effet de susceptibilité magnétique induit par l'interface entre le capteur endoluminal et les tissus de la paroi colorectale. Ainsi, un capteur endoluminal utilisant un matériau de compensation de susceptibilité comme support a été développé et comparé à un capteur endoluminal de référence pour l'acquisition de spectres de résonance magnétique. Dans un dernier temps, le capteur a été modifié, pour pouvoir acquérir des spectres de résonance magnétique du proton mais également des spectres de résonance magnétique du phosphore, tout en conservant sa géométrie. Ce dernier développement a été validé par des mesures sur banc de test et ouvre la voie pour des expériences ultérieures sur fantômes et, à long terme, in vivo

The colorectal pathologies a major public health problem, indeed it is the second most lethal cancer and its incidence is second amongst all cancers. To performer the initial assessment of the colorectal cancer (CRC), Magnetic Resonance Imaging (MRI) is, at this moment in time, the gold standard for the assessment of the latest stages of CRC. However, despite significant progress, external phased array coils do not allow a sufficient spatial resolution for the observation of the colorectal wall. In this prospect, the use of an endoluminal coil for the MRI observation of the earliest stages of the CRC seems to present an interest. Thus, in the framework of this PhD, the aim was to propose and develop a rigid endoluminal coil suited for the observation of the terminal part of the digestive tract (rectum and sigmoid).First, the geometry of the endoluminal coil was optimized to minimize the non-uniformities in radial sensitivity. Thus, it was show that two current loops forming angulated with a 50° to 70° allow for optimal radial sensitivity uniformity. This could potentially allow for an increase in specificity and sensitivity of an endoluminal MR (Magnetic Resonance) exam. Furthermore, the safety of the endoluminal coil with respect to the radiofrequency (RF) heating was assessed. And, as demonstrated in the literature, the addition of RF traps allows for a reduction of the RF heating under the limits as determined by the IEC-60601 norm (below 1°C heating induced by the coil and reception cable presence). Reference RF traps and miniaturized RF traps, suited for the insertion through the rectum of the patient, were designed, built and assessed both on the benchmark and on the MR scanner DV MR 750 3T (General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, US). The experiments were designed to maximize RF heating by an adequate choice of cable length, reception cable path, and acquisition sequence. Then, the design of the endoluminal coil was optimized to allow the acquisition of diffusion MRI images and magnetic resonance spectra, techniques which are particularly sensitive to the magnetic field (B0) inhomogeneities. Thus, the susceptibility effect occurring at the interface between the endoluminal coil and surrounding tissues of the rectal wall will deter significantly the performances of these techniques. A susceptibility matched endoluminal coil was thus developed, using UltemTM as a support for the coil, and was compared to a reference endoluminal coil for the acquisition of magnetic resonance spectra. Finally, the coil was modified in order to acquire both hydrogen magnetic resonance spectra and phosphorus magnetic resonance spectra, while keeping the same geometry. This last development was assessed on the bench and opens the way towards further experiments on phantom and, eventually, in vivo experiments