Exploration de la moelle osseuse en Imagerie par Résonance Magnétique : quantification de biomarqueurs

Bone marrow Magnetic Resonance Imaging : biomarker quantification

• Auteur / Autrice : Caroline Le Ster
• Direction : Hervé Saint-Jalmes, Giulio Gambarota, Jérémy Lasbleiz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biologique et médical
• Date : Soutenance le 05/04/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Vie-Agro-Santé (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image (1969-.... ; Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biométrie

Marqueurs biologiques

Imagerie par résonance magnétique

Maladies de la moelle osseuse

Mots clés libres

Imagerie par Résonance Magnétique

Moelle Osseuse

Biomarqueur

Quantification

Magnetic Resonance Imaging

Bone Marrow

Biomarker

Quantification

Résumé

De récentes études ont démontré la pertinence de la quantification par IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) de la fraction de graisse, des temps de relaxation T1 et T2* de l’eau et des lipides, de la diffusion et de la perfusion dans la moelle osseuse, ces paramètres pouvant être utilisés en tant que biomarqueurs dans le cadre de pathologies affectant la moelle osseuse, telles que le myélome ou l'ostéoporose. La quantification de ces paramètres requiert cependant l'application de séquences IRM présentant des artéfacts spécifiques et dont les temps d'acquisition provoquent une immobilisation prolongée des patients. Ce travail de thèse porte sur la quantification de biomarqueurs dans le cadre de l’exploration de la moelle osseuse par IRM. L'objectif de ce travail de thèse était d'optimiser la quantification de ces biomarqueurs (fraction de graisse, T1, T2*, diffusion et perfusion) via l'optimisation de protocoles d'imagerie compatibles avec la pratique clinique, spécifiquement pour l'imagerie eau-graisse et l'imagerie de diffusion. Cette optimisation a consisté à prendre en compte les artéfacts inhérents aux techniques de quantification, les imperfections de l'instrument et à améliorer le rapport signal-sur-bruit par unité de temps des séquences IRM pour une application sur la moelle osseuse. La première partie de ce travail de thèse a porté sur le développement d’un protocole d’imagerie rapide, permettant la quantification simultanée de la fraction de graisse et des temps de relaxation T1 et T2* de l'eau et des lipides à partir de séquences eau-graisse. Dans un premier temps, cette méthode de quantification a été validée cliniquement par application à une population de volontaires, dans le cadre d'une étude réalisée au CHU de Rennes. Au cours d’une seconde étude sur volontaires, cette méthode de quantification a été appliquée à différents sites de moelle osseuse (humérus, sternum, vertèbres lombaires ilium et fémur), ce qui a permis de mettre en évidence des variations régionales de ces paramètres ainsi que la présence d'une corrélation négative entre le T1 de l'eau et la fraction de graisse. L’équation du signal utilisée dans cette méthode de quantification fait intervenir l'angle de basculement appliqué dans la séquence eau-graisse. Dans le but d’estimer l’influence de la variation de l’angle de basculement sur la mesure des paramètres, une méthode de quantification de l'angle de basculement spécialement adaptée à l'imagerie du rachis a également été développée au cours de ce travail.La seconde partie de ce travail de thèse a porté sur la quantification de la diffusion et de la perfusion dans la moelle osseuse, avec notamment l’imagerie des mouvements intra-voxels incohérents (IVIM). Ce travail a tout d’abord consisté à optimiser le protocole d’imagerie de diffusion pour une application au rachis lombaire, puis à étudier l'influence de la présence de graisse sur la quantification des paramètres de diffusion et de perfusion grâce à une étude sur volontaires. La perspective de ce travail est l'application des séquences eau-graisse et des séquences de diffusion optimisées à des populations atteintes de pathologies de la moelle osseuse, ces séquences permettant de réduire la durée d'immobilisation des patients et de détecter les modifications spécifiques à ces pathologies.

Recently published studies have shown the relevance of quantifying the bone marrow fat fraction, T1 and T2* relaxation times of water and lipid components, diffusion and perfusion with MRI (Magnetic Resonance Imaging). These parameters have indeed been used as biomarkers for bone marrow related pathologies, such as the myeloma and osteoporosis. The quantification of these parameters however requires the application of MR sequences which show specific artefacts and have long acquisition times that can be tiresome for older patients. The aim of this thesis was to optimise the quantification of the fat fraction, T1 and T2* relaxation times, diffusion and perfusion in the bone marrow. The quantification of these biomarkers was optimised by improving the imaging protocols of water-fat sequences and diffusion sequences for clinical applications. These sequences were optimised by taking into account the imperfections of the MR system and the specific artefacts of these techniques and by improving the signal-to-noise ratio per unit time of the sequences for an application on bone marrow. The first part of this work consisted in developing a fast quantification method that allows for the simultaneous quantification of the fat fraction and of the T1 and T2* relaxation times of water and lipids with water-fat sequences. This method was first clinically validated by applying these sequences in a population of healthy volunteers. In a second study, this method was applied in a population of healthy volunteers to different sites of bone marrow (humerus, sternum, vertebrae, ilium and femur). The results of this study showed local variations of these parameters and a strong negative correlation between the T1 of water and the fat fraction. The signal equation of this quantification method uses the flip angle applied in the water-fat sequence. In order to assess the influence of flip angle variations on the parameters measurement, a flip angle quantification method specially dedicated to spine imaging was also developed during this work. The second part of this work consisted in quantifying diffusion and perfusion in bone marrow, especially with the intra-voxel incoherent motion imaging (IVIM). The imaging protocol of the diffusion sequence was first optimised for a spine application; then the influence of fat on the quantification of diffusion and perfusion parameters was assessed in a study on healthy volunteers. In the future, the optimised water-fat sequences and diffusion sequences will be applied to patients suffering from bone marrow pathologies. These sequences allow a decreased total acquisition time and the detection of pathology-specific modifications.