Apport de l’imagerie TDM et IRM quantitative à l’étude des modifications structurales et fonctionnelles respiratoires dans les maladies obstructives chroniques des voies aériennes chez l’homme

Contribution of quantitative CT and MRI to the study of structural and functional respiratory changes in chronic obstructive airway diseases in humans

• Auteur / Autrice : Ilyes Benlala
• Direction : François Laurent, Gaël Dournes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioimagerie
• Date : Soutenance le 03/12/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Talence, Gironde ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche cardio-thoracique de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Gilbert Ferretti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Laurent, Gaël Dournes, Gilbert Ferretti, Arnaud Bourdin, Bernard Padovani, Laurence Bordenave
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gilbert Ferretti, Arnaud Bourdin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Poumon -- Maladies

Recherche quantitative

Scanographie

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

IRM

TDM

Quantification automatique

Poumon

Bronche

Remodelage

BPCO

Asthme

Mucoviscidose

CT

MRI

Automatic quantification

Lung

Bronchus

Remodeling

COPD

Asthma

Cystic fibrosis

Résumé

Les maladies bronchiques obstructives chroniques constituent un problème majeur de santé publique. Leur pathogénie est caractérisée par l’inflammation chronique et le remodelage des voies aériennes. L’étude en imagerie des différents éléments structuraux des poumons (bronches, bronchioles, vaisseaux…) est primordiale dans la définition, le phénotypage, la compréhension des mécanismes obstructifs et le suivi de l’évolution et de ces maladies. Les méthodes d’évaluation visuelles qualitatives sont sujettes à une subjectivité d’analyse et à une variabilité inter observateurs qui altèrent leur fiabilité. Le développement de nouvelles méthodes quantitatives fiables et reproductibles est donc une nécessité. La TDM et l’IRM sont les deux méthodes d’imagerie complètes à la fois des différents compartiments structuraux et fonctionnels du poumon, la première ayant pour avantage son excellente résolution spatiale et la seconde son innocuité. Les travaux ont porté sur la mise au point et la validation de méthodes d’imagerie quantitatives TDM et IRM. Avec la TDM quantitative, nous avons montré que les mesures du remodelage bronchique et vasculaire chez les patients atteints d’une hypertension pulmonaire (HTP) sévère, phénotype particulier à la bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO), permettaient d’appréhender les interactions entre les systèmes cardiovasculaire et respiratoire. D’autre part nous avons mis au point et évalué une méthode de quantification de l’atteinte des voies aériennes distales dans une population de pneumonie chronique d’hypersensibilité. Cette méthode pourrait apporter une contribution à l’étude et au suivi des maladies bronchiques obstructives chroniques.Avec l’IRM quantitative, les solutions que nous avons proposées dans la quantification de l’emphysème à l’IRM protonique permettent une analyse automatisée de la sévérité de l’extension de l’emphysème chez des patients atteints de BPCO. En outre, la transposition des méthodes de mesure des paramètres bronchiques de la TDM à l’IRM est devenue possible grâce aux nouvelles séquences à temps d’écho ultra court (UTE). Ainsi, la quantification du remodelage bronchique à l’IRM 3DUTE chez des patients atteints de mucoviscidose, chez lesquels il est nécessaire de réduire l’exposition aux rayons ionisants, permet d’obtenir des informations morphologiques similaires à celles de la TDM. Nous avons aussi montré que la quantification automatique des phénomènes destructifs et inflammatoires par l’IRM 3DUTE dans l’atteinte pulmonaire de la mucoviscidose était une méthode fiable et reproductible pour évaluer la sévérité de l’atteinte structurale. Par ailleurs, la faisabilité d’une quantification automatique des hypersignaux T2 à l’IRM a été démontrée et sa pertinence comme biomarqueur spécifique de l’atteinte inflammatoire des voies aériennes évaluée. Ainsi, l’étude quantitative, en TDM comme en IRM, de diverses modifications structurales et fonctionnelles des maladies bronchiques obstructives chroniques ouvre le champ d’une analyse objective et fiable par l’imagerie aux évaluations du suivi et de la réponse au traitement.

Chronic obstructive airway diseases are a major public health problem, characterized by chronic inflammation and airways remodeling. Imaging of the structural elements of the lungs (bronchi, bronchioles, vessels...) is essential for defining, phenotyping and following-up these diseases. Visual assessment is prone to inter-observer variability that affects its reliability. Therefore, the development of reliable and reproducible new quantitative methods is necessary. CT and MRI are the two complete imaging methods of the various structural and functional compartments of the lung. This work focused on the development and the validation of quantitative methods using CT and MRI of the lung.Using quantitative CT, we have shown that measurements of bronchial and vascular remodeling in patients with severe pulmonary hypertension (PH), a particular phenotype in COPD patients, contributed to highlight interactions between the cardiovascular and respiratory systems. We have developed a method for small airway disease quantification, tested in a chronic hypersensitivity pneumonitis cohort, that may contribute to evaluate and monitor chronic obstructive airway diseases.Using quantitative MRI, we have developed a fully automated quantification technique to assess the severity of emphysema extent in COPD patients. In addition, transposing bronchial measurement methods from CT to MRI has become possible thanks to the new ultra short echo time (UTE) sequences. Thus, the quantification of bronchial remodeling at 3DUTE MRI in patients with cystic fibrosis, for whom it is necessary to reduce exposure to ionizing radiation, has shown morphological information similar to that of CT. We have also shown that automatic quantification of destructive and inflammatory phenomena by 3DUTE MRI in cystic fibrosis is a reliable and reproducible method for assessing the severity of structural alterations. Furthermore, the feasibility of an automatic quantification of T2 high signal intensity on MRI has been demonstrated and its relevance as a specific biomarker for inflammatory airway disease has been assessed.Thus, the quantitative analysis, in both CT and MRI, of various structural and functional modifications in chronic obstructive airway diseases could be a reliable method in the follow-up and the evaluation of the response to treatment in these diseases.