Caractérisation des compressions médullaires : développement de techniques d' Imagerie par Résonance Magnétique de perfusion de la moelle épinière humaine à 7 Tesla et simulation biomécanique des Myélopathies Cervicales Dégénératives

Characterization of spinal cord compression : development of 7 Tesla Magnetic Resonance techniques for human spinal cord perfusion imaging and biomechanical simulation of Degenerative Cervical Myelopathy

• Auteur / Autrice : Simon Lévy
• Direction : Virginie Callot, Pierre-Jean Arnoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie santé. Neurosciences
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de résonance magnétique biologique et médicale (Marseille) - Laboratoire de Biomécanique Appliquée, UMR T24 INRETS (Aix-Marseille Université)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Hugues Roche
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre-Jean Arnoux, Alan Seifert, Thomas Troalen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexandre Vignaud, Eric Wagnac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ischémie

Imagerie par résonance magnétique

Moelle épinière

Mots clés libres

IRM à Ultra-Haut Champ

Irm 7t

IRM de perfusion

Moelle Épinière

Intra-Voxel Incoherent Motion

Ivim

Contraste de Susceptibilité Dynamique

Dynamic Susceptibility Contrast

Dsc

Myélopathie Cervicales Dégénératives

Simulations Biomécaniques

Modélisation par Éléments Finis

Ultra-High field MRI

7t mri

Perfusion MRI

Spinal Cord

Intra-Voxel Incoherent Motion

Ivim

Dynamic Susceptibility Contrast

Dsc

Degenerative Cervical Myelopathy

Biomechanical simulations

Finite Element Modeling

Résumé

Les contraintes mécaniques dues à la compression de la moelle épinière dans les Myélopathies Cervicales Dégénératives (DCM) induisent un déficit de perfusion menant à la myélopathie et une altération fonctionnelle. Cependant, une meilleure caractérisation est nécessaire pour mieux prédire la progression de la pathologie. Contrairement au cerveau, aucune méthode d’évaluation de la perfusion médullaire n’existe à ce jour. Cette thèse visait d'abord à combler ce manque, et deuxièmement, à implémenter des simulations biomécaniques de compressions DCM typiques avec l'objectif à long terme de relier contraintes et déficit de perfusion.Les développements ont été menés à 7T pour bénéficier de la sensibilité accrue à haut champ. La technique IVIM (Intra-Voxel Incoherent Motion) a d'abord été étudiée in-vivo et par simulation de Monte-Carlo. L’imagerie par Contraste de Susceptibilité Dynamique (DSC) a ensuite été explorée, en tenant compte des biais physiologiques. Enfin, des motifs de compression DCM typiques ont été simulés basés sur la littérature et des IRM de patients.IVIM a montré une sensibilité insuffisante pour l’applications clinique, mais des cartes bien définies ont été obtenues avec DSC chez des sujets sains. Des lignes directrices pour améliorer la robustesse chez les patients ont pu être identifiées. Les simulations biomécaniques pourraient expliquer l’ischémie de la substance grise mais pas la démyélinisation des voies corticospinales.DSC à 7T est prometteur pour l'évaluation de la perfusion médullaire. Avec des simulations biomécaniques plus spécifiques au patient, de tels outils pourraient considérablement aider les cliniciens dans la prise en charge de la DCM.

In Degenerative Cervical Myelopathy (DCM), the mechanical constraints due to spinal cord compression are thought to induce perfusion deficit leading to myelopathy and functional impairment. However, the pathogenesis of DCM requires further characterization to better predict the pathology progression. So far, unlike in the brain, no method to assess patients’ spinal cord perfusion exists. This PhD first aimed at filling this gap and second, at implementing biomechanical finite element simulations of typical DCM compressions with the long-term goal to relate mechanical constraints to perfusion deficit in patients.Developments were conducted at 7T to benefit from the higher sensitivity at ultra-high field. The Intra-Voxel Incoherent Motion (IVIM) technique was first investigated in-vivo, in parallel with Monte-Carlo simulations. Dynamic Susceptibility Contrast (DSC) imaging was then explored, addressing main physiological biases. Finally, typical DCM compression patterns were simulated based on geometrical features synthesized from literature and MRI of patients.IVIM showed insufficient sensitivity for clinical applications but well-defined relative perfusion parameter maps were obtained with DSC in healthy volunteers. New guidelines to improve robustness of the technique in patients were identified. Biomechanical simulations could explain the gray matter infarction reported in DCM patients but not the corticospinal tracts demyelination, based on stress only.DSC at 7T is promising for spinal cord perfusion assessment. In conjunction with biomechanical simulation design more specific to the patient, such tools could significantly help clinicians in the management of DCM.