Développement de la séquence IRM Magnetization Prepared 2 Rapid Acquisition Gradient Echoes (MP2RAGE) pour la quantification du T1 : application à la détection et à la caractérisation de métastases chez le petit animal

Development of the Magnetization Prepared 2 Rapid Acquisition Gradient Echoes (MP2RAGE) MRI Sequence for T1 quantification : application to the detection and characterization of metastases in small animals

• Auteur / Autrice : Thibaut Faller
• Direction : Emeline Ribot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioimagerie
• Date : Soutenance le 02/12/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Résonance Magnétique des Systèmes Biologiques
• Jury : Président / Présidente : Macha Nikolski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emeline Ribot, Franck Kober, Olivier Beuf, Tobias Kober
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Kober, Olivier Beuf

Mots clés

Mots clés contrôlés

imagerie diagnostique

Métastases

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

IRM

Métastases

Séquence MP2RAGE

Imagerie paramétrique

Mri

Metastases

MP2RAGE sequence

Parametric imaging

Résumé

Les métastases sont une cause majeure de décès dans le cas du cancer. En effet, ces tumeurs secondaires peuvent se développer dans divers organes, distants de la tumeur primaire, et surviennent à des temps différents au cours de la croissance de la tumeur primaire. De nombreuses techniques d’imagerie biomédicale peuvent être utilisées pour les détecter. Parmi celles-ci, l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) a l’avantage de ne pas utiliser de rayonnements ionisants et permet de forts contrastes entre des tissus mous différents. Toutefois il est encore nécessaire de développer de nouvelles techniques IRM pour mieux caractériser les tumeurs, obtenir des données quantitatives, et réduire drastiquement les durées d’examen. Parmi les caractéristiques biophysiques mesurables par IRM, le temps de relaxation T1 semble être un bio-marqueur de l’efficacité d’une thérapie anti-cancéreuse. Cependant, sa mesure est généralement trop chronophage pour être utilisée en imagerie préclinique sur des cohortes d’animaux, ou pour une utilisation en routine clinique. Cette thèse a porté sur le développement d’une séquence de quantification T1 fiable et rapide. Elle a été appliquée pour détecter et caractériser des métastases chez la souris avec comme pré-requis de générer des images avec une résolution spatiale élevée, d’être insensible aux mouvements respiratoires et de permettre des mesures reproductibles du T1. La séquence Magnetization Prepared 2 Rapid Acquisition Gradient Echoes (MP2RAGE) à encodage cartésien a donc été choisie pour son fort potentiel de quantification T1, sa robustesse aux hétérogénéités de champ magnétique, et pour obtenir rapidement des cartes paramétriques en 3D. L’influence des paramètres de la séquence a d’abord été évaluée par simulations. Puis la séquence a été modifiée pour être compatible avec une méthode d’accélération appelée acquisition comprimée. Cette méthode a alors été utilisée soit pour réduire le temps d’acquisition des cartes T1, soit pour en améliorer la résolution spatiale. Cette nouvelle séquence MP2RAGE a alors été utilisée à 7T pour détecter et caractériser des métastases cérébrales disséminées dans le cerveau de souris. Pour détecter des métastases hépatiques, l’encodage cartésien initial s’est avéré trop sensible aux mouvements respiratoires. Il a donc été remplacé par un encodage radial, nécessitant une adaptation du schéma de reconstruction des cartes T1. Ainsi, des cartes T1 3D de l’abdomen entier de souris ont été obtenues en 9 minutes. Un suivi longitudinal de métastases hépatiques a montré des hétérogénéités de T1 inter- et intra-métastatiques. Pour une accélération supplémentaire, la séquence a été développée avec un encodage multi-coupe 2D, permettant ainsi d’utiliser les nombreux temps-morts présents dans le chronogramme. Des optimisations des paramètres de la séquence ont permis d’obtenir 6 cartes T1 en 9 s in vivo sur le cerveau et l’abdomen de souris. De plus, une étude préliminaire a montré qu’elle permettait de réaliser de la thermométrie. Une première perspective de ces travaux consiste à transférer cette séquence sur un aimant de recherche clinique. Une autre perspective serait de développer une séquence multi-coupe 3D radiale, accélérée par acquisition comprimée, applicable sur le petit-animal comme chez l’humain. Celapermettrait d’allier efficacité de la séquence, forte résolution spatiale et robustesse aux mouvements pour un large éventail d’applications.

Metastases are a leading cause of death in the case of cancer. Indeed, these secondary tumors can develop in various organs, distant from the primary tumor, and occur at different times during the growth of the primary tumor. Many biomedical imaging techniques can be used to detect them. Among these, Magnetic Resonance Imaging (MRI) has the advantage of not using ionizing radiation and allows strong contrasts between different soft tissues. However, it remains necessary to develop new MRI techniques to better characterize tumors, obtain quantitative data and to drastically reduce exam times. Among the biophysical characteristics measurable by MRI, the T1 relaxation time seems to be a biomarker of the efficiency of an anti-cancer therapy. However, its measurement is generally too time consuming to be used in preclinical imaging on cohorts of animals, or for routine clinical use. This thesis therefore had the challenge of developing a reliable and rapid T1 quantification sequence. It has been applied to detect anc characterize metastases in mice with the prerequisites of generating images with high spatial resolution, being insensitive to respiratory movements and allowing reproducible T1 measurements. The Magnetization Prepared 2 Rapid Acquisition Gradient Echoes sequence (MP2RAGE) with Cartesian encoding was therefore chosen for its high T1 quantitation potential, its robustness to magnetic field heterogeneities, and its ability to quickly obtain 3D parametric maps. First, simulations were performed to evaluate the influence of sequence parameters. Then the sequence was modified to be compatible with an acceleration method called Compressed Sensing. This method was then used either to reduce the acquisition time of the T1 maps, or to improve the spatial resolution. This new MP2RAGE sequence was then applied at 7T to detect and characterize disseminated brain metastases in the mouse. The initial Cartesian encoding proved to be too sensitive to respiratory movements to detect liver metastases. It was therefore replaced by a radial encoding, which required an adaptation of the reconstruction scheme of the T1 maps. Thus, 3D T1 maps of the entire abdomen of mice were obtained in 9 minutes. Longitudinal follow-up of hepatic metastases showed inter and intra-metastatic T1 heterogeneities. For an additional acceleration, the sequence was developed with a 2D multi-slice encoding, thus allowing to use the many dead times present in the chronogram. Optimizations of the parameters of the sequence made it possible to obtain 6 T1 maps in 9 s in vivo on the brain and the abdomen of mice. In addition, a preliminary study showed a possible application for thermometry. A first perspective of this work is to transfer this sequence to a clinical research MRI system. Another perspective would be to develop a 3D radial multi-slice sequence, accelerated by Compressed Sensing, applicable to small animals as in humans. This would combine sequence efficiency, high spatial resolution and robustness to movements for a wide range of applications.