Simulations numériques pour l'imagerie par résonance magnétique à contraste de phase

Numerical simulations for phase-contrast magnetic resonance imaging

• Auteur / Autrice : Thomas Puiseux
• Direction : Franck Nicoud, Simon Mendez, Ramiro Moreno Roa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques et Modélisation
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Montpelliérain Alexander Grothendieck (Montpellier ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphanie Salmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Nicoud, Simon Mendez, Ramiro Moreno Roa, Stéphanie Salmon, Tino Ebbers, Jean-Michel Serfaty, Monica Sigovan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Tino Ebbers, Jean-Michel Serfaty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hémodynamique

Simulation par ordinateur

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

IRM à contraste de phase

Simulation numérique

Hémodynamique

IRM de flux 4D

Simulation d'IRM

Modèles numériques

Phase contrast MRI

Numerical simulation

Hemodynamics

4D Flow MRI

MRI simulation

Numerical modelling

Résumé

L'hémodynamique (la manière dont le sang coule) est aujourd'hui considérée par la communauté médicale comme un marqueur prépondérant dans l'apparition et dans l'évolution de certaines pathologies cardiovasculaires (formation d’un caillot sanguin, anévrisme, sténose...). Les récents progrès technologiques ont permis d'adapter l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) à l'exploration vélocimétrique 3D du système cardiovasculaire grâce à l'IRM de flux 4D. En plus d'être non invasive et non ionisante, cette technique ouvre l'accès à l'évaluation de quantités dérivées du champ de vitesse telles que la pression ou le frottement pariétal, pertinentes lors des diagnostics médicaux, mais difficilement accessibles par imagerie. Néanmoins, les contraintes technologiques (temps d'acquisition, résolution spatiale, dépendance aux vitesses d'encodages) limitent la précision des mesures. De plus, les complexités intrinsèques au processus d’acquisition en IRM rendent difficilement identifiables les sources d'erreurs de mesures.Cette thèse à pour but de développer une méthodologie standardisée permettant l'évaluation systématique des mesures par IRM de flux 4D dans un régime d'écoulement complexe. Dans ce but, un fantôme IRM compatible capable de générer un écoulement typique de ceux observés dans la circulation thoracique (crosse aortique, bifurcation, anévrisme) est conçu et intégré à un banc d'essai expérimental. L'écoulement est prédit par simulation numérique (Mécanique des fluides Numérique) et simultanément mesuré par IRM de flux 4D.Grâce à une évaluation rigoureuse des différences entre ces deux modalités, on montre d’abord que la simulation numérique peut être considérée comme une représentation fidèle du champ de vitesse réel.Une évaluation rigoureuse des différences entre ces deux modalités permet de considérer la simulation numérique comme l’écoulement de référence représentant le champ de vitesse réel. L'analyse met aussi en lumière d'une part des erreurs typiques de mesures du champ de vitesse par IRM de flux 4D, ainsi que des erreurs relatives au calcul de quantités dérivées (pression et le frottement pariétal).Enfin, une méthodologie de simulation du processus d'acquisition en IRM est développée. Couplée avec la MFN, celle-ci permet de reconstruire des images IRM synthétiques correspondant à l'écoulement de référence mesuré par un protocole d'acquisition donné, mais exemptes de toutes erreurs expérimentales. La capacité à produire des images in silico permet notamment d’identifier les sources d’erreurs (matériel, logiciel, séquence) en IRM de flux 4D.

Hemodynamics (blood flow dynamics) is now recognized as a key marker in the onset and evolution of many cardiovascular disorders such as aneurysms, stenoses, or blood clot formation. As it provides a comprehensive access to blood flows in-vivo, time-resolved 3D phase-contrast magnetic resonance imaging (or 4D Flow MRI) has gained an increasing interest over the last years and stands out as a highly relevant tool for diagnosis, patient follow-up and research in cardiovascular diseases. On top of providing a non-invasive access to the 3D velocity field in-vivo, this technique allows retrospective quantification of velocity-derived hemodynamic biomarkers such as relative pressure or shear stress, which are pertinent for medical diagnosis but difficult to measure in practice. However, several acquisition parameters (spatio-temporal resolution, encoding velocity, imaging artifacts) might limit the expected accuracy of the measurements and potentially lead to erroneous diagnosis. Moreover, the intrinsic complexities of the MRI acquisition process make it generally difficult to localize the sources of measurement errors.This thesis aims at developing a methodology for the assessment of 4D Flow MRI measurements in complex flow configuration. A well-controlled experiment gathering an idealized in-vitro flow phantom generating flow structures typical of that observed in the cardiovascular system is designed. The flow is simultaneously predicted by means of a high-order Computational Fluid Dynamics (CFD) solver and measured with 4D flow MRI. By evaluating the differences between the two modalities, it is first shown that the numerical solution can be considered very close to the ground truth velocity field. The analysis also reveals the typical errors present in 4D flow MRI images, whether relevant to the velocity field itself or to classical derived quantities (relative pressure, wall shear stress). Finally, a 4D Flow MRI simulation framework is developed and coupled with CFD to reconstruct the synthetic MR images of the reference flow that correspond to the acquisition protocol, but exempted from experimental measurement errors. Thanks to this new capability, the sources of the potential errors in 4D Flow MRI (hardware, software, sequence) can be identified.