Acquisition et traitement de l'imagerie par Résonance Magnétique en contraste de phase pour la quantification des écoulements cérébraux du sang et du Liquide Cérébro-Spinal sous influence respiratoire

Acquisition and processing of phase contrast Magnetic Resonance Imaging for the quantification of cerebral blood and cerebrospinal fluid flow under respiratory influence

• Auteur / Autrice : Pan Liu
• Direction : Olivier Balédent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie-Santé. Physique Radiologique et Médicale
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chirurgie et extrémité céphalique Caractérisation morphologique et fonctionnelle (Amiens ; 2018-....)
• Jury : Président / Présidente : Nadjia Kachenoura
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Constans
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Salmon, Bassem Hiba

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par résonance magnétique

Mesure

Hémodynamique

Liquide cérébro-spinal

Mots clés libres

IRM en contraste de phase

Traitement d'image

Développement de logiciels

Hémodynamique cérébrale

Phase contrast MRI

Image processing

Software design

Cerebral hemodynamics

Résumé

À ce jour, les effets des variations du rythme cardiaque et respiratoire sur la dynamique du flux sanguin cérébral ne sont pas bien compris. La séquence "2D Ciné Contraste de Phase" (CINE-CP) obtenue en imagerie par résonance magnétique (IRM) quantifie de manière non invasive les flux vasculaires et les écoulements du liquide cérébro-spinal (LCS). Cependant elle est limitée par sa résolution temporelle car elle donne accès à une courbe moyenne de flux reconstruite à partir d'une centaine de cycles cardiaques. Nous disposons d'une nouvelle séquence d'IRM appelée "Echo Planar Imaging" en contraste de phase (EPI-CP) permettant de quantifier les vitesses "en temps réel" et qui offre de grands avantages pour l'étude de l'influence de la respiration sur la dynamique du sang et du LCS dans le système cranio-spinal. Néanmoins l'EPI-CP fournit un plus grand nombre d'images avec une qualité d'image réduite, ce qui pose des problèmes pour le post-traitement de l'EPI-CP. À notre connaissance, il n'existe pas de logiciel dédié au traitement des images EPI-CP. Par conséquent, la thèse couvre trois objectifs principaux : d'abord la mise en place, l'optimisation et l'évaluation de la précision d'un protocole EPI-CP pour l'investigation cérébrale des flux artériels, veineux et du LCS ; ensuite le développement d'un logiciel de traitement et d'analyse dédié aux images EPI-CP du système cranio-spinal ; enfin la quantification de l'influence de la respiration sur les écoulements de sang et de LCS dans le système cranio-spinal. Pour atteindre ces objectifs, dans un premier temps, le protocole de l'EPI-CP a été optimisé à l'aide d’un fantôme de flux permettant de réaliser à l'intérieur de l'IRM des écoulements physiologiques pulsatiles et calibrés. La précision de l'EPI-CP a été vérifiée par comparaison avec la séquence CINE-CP de référence. Les effets de la taille des pixels et des vitesses d'encodages dans le cas de l'EPI-CP ont été étudiés. Dans un deuxième temps, un logiciel de post-traitement a été développé pour visualiser, segmenter et analyser les images DICOM de la séquence EPI-CP. Le logiciel offre par ailleurs la possibilité d'intégrer un signal respiratoire enregistré lors de l'acquisition pour quantifier l'effet de la respiration sur les flux vasculaires et du LCS. Finalement avec ce logiciel de post-traitement EPI-CP, la validation in vivo de la précision de l'EPI-CP a été réalisée sur une population de 16 volontaires adultes. De plus une étude de quantification de l'effet de la respiration sur les artères cérébrales a été effectuée sur une population de 12 volontaires adultes

To date, the effects of arrhythmia and respiration on cerebral blood flow dynamics are not well understood. The "2D Cine Phase Contrast " (CINE-CP) sequence obtained in magnetic resonance imaging (MRI) quantifies non-invasively the vascular flows and the cerebrospinal fluid (CSF) flows. However, it is limited by its temporal resolution because it gives access to an average flow curve reconstructed from hundreds of cardiac cycles. We have a new MRI sequence called "Echo Planar Imaging" in phase contrast (EPI-CP) that allows to quantify velocities "in real time" and offers great advantages for the study of the influence of respiration on blood and CSF dynamics in the cranio-spinal system. However, EPI-CP provides a larger number of images with reduced image quality, which causes difficulties for EPI-CP post-processing. To our knowledge, there is no software dedicated to EPI-CP image processing. Therefore, the thesis covers three main objectives: firstly, optimization of the EPI-CP protocol and validation of the accuracy of EPI-CP in quantifying cerebral circulation of arterial, venous and CSF flows; secondly, development of a dedicated software for post processing EPI-CP images of the cranio-spinal system; and finally, quantification of the influence of respiration on blood and CSF flows in the cranio-spinal system.To achieve these objectives, as a first step, the EPI-CP protocol was optimized using a flow phantom to achieve calibrated, pulsatile physiological flows inside the MRI. The accuracy of the EPI-CP was evaluated by comparison with the reference CINE-CP sequence. The effects of pixel size and velocity encoding in the EPI-CP were investigated. In the second step, a post-processing software was developed to visualize, segment and analyze the DICOM images of the EPI-CP sequence. The software also offers the possibility to import a respiratory signal which is recorded during the acquisition to quantify the effect of respiration on the vascular and CSF flows. Finally, with this EPI-CP post-processing software, in vivo validation of the accuracy of the EPI-CP was performed on a population of 16 adult volunteers. In addition, a quantification study of the effect of respiration on cerebral arteries was performed on a population of 12 adult volunteers