Développements méthodologiques pour l’IRM de diffusion cardiaque

Methodological developments for cardiac diffusion MRI

• Auteur / Autrice : Anne-Lise Le Bars
• Direction : Freddy Odille, Bailiang Chen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 09/03/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie adaptative diagnostique et interventionnelle (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Bonnemains
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Freddy Odille, Bailiang Chen, Sylvain Miraux, Virginie Callot, Dominique Sappey-Marinier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Miraux, Virginie Callot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dissertation universitaire

Imagerie par résonance magnétique de diffusion

Traitement d'images -- Techniques numériques

Temps réel (informatique)

Mouvements

Imagerie par résonance magnétique

Coeur

Imagerie médicale

Mots clés libres

IRM de diffusion

Imagerie cardiaque

Correction de mouvement

Contraste de phase

Acquisition temps-réel

Reconstruction super-résolution

Diffusion MRI

Cardiac imaging

Motion correction

Phase contrast

Real-time acquisition

Super-resolution reconstruction

Résumé

L’imagerie par résonance magnétique de diffusion est une technique qui permet d’obtenir des informations sur la microarchitecture des tissus biologiques. La connaissance de l’organisation des fibres myocardiques peut permettre d’améliorer la compréhension de l’électrophysiologie cardiaque du patient et, par conséquent, du traitement des arythmies complexes telles que les tachycardies ventriculaires. Néanmoins, des améliorations restent nécessaires pour appliquer cette technique dans les organes en mouvements, notamment en raison des artéfacts créés par les déplacements. Les mouvements macroscopiques, de l’ordre du millimètre, sont principalement liés à la respiration ou au battement cardiaque tandis que la quantification de la diffusion repose sur la caractérisation des mouvements microscopiques. Des séquences compensées en mouvement utilisent des gradients d’encodage de diffusion spécifiques (compensation en vitesse ou en accélération). Cependant ces séquences sont très sensibles à la phase d’acquisition dans le cycle cardiaque et ne permettent l’acquisition que d’un nombre limité de coupes en raison du long temps d’acquisition nécessaire au recueil des données. Dans ce contexte, la première partie du travail de recherche a consisté à adapter la synchronisation avec le mouvement cardiaque du patient en utilisant une séquence sensibilisée à la vitesse de ce mouvement en temps-réel (RTPC). Ainsi, la séquence RTPC apporte une connaissance sur la variabilité des phases cardiaques. En reliant la variabilité de la mesure de diffusion au mouvement cardiaque mesuré par la séquence RTPC, nous avons montré la possibilité d’utiliser cette séquence pour optimiser l’acquisition de diffusion. Le traitement de la séquence RTPC a été adaptée en vue d’afficher la reconstruction en temps réel sur la console IRM et ainsi de faciliter son emploi. L’autre problématique de ce travail de recherche concerne l’obtention d’une information sur l’agencement tri-dimensionnel des fibres myocardiques, et ce, avec une couverture de l’entièreté du ventricule gauche. En effet, cette couverture intégrale est nécessaire à la simulation de la propagation de l’influx électrique cardiaque. Une technique de super-résolution a été utilisée comme solution à l’augmentation de la résolution spatiale dans le sens de la coupe, sans coût majeur au niveau du rapport signal sur bruit, diminuant ainsi le temps d’acquisition. Des simulations et des acquisitions sur fantôme ont permis de montrer que l’augmentation de la résolution permet d’améliorer l’estimation de l’orientation de la direction principale de diffusion. Cela est particulièrement utile lorsque cette orientation change significativement dans le sens de la coupe, en relation avec la géométrie globale du cœur. Une étude sur volontaires sains a ensuite été réalisée dans le but de montrer l’applicabilité in-vivo de la technique de super-résolution.

Diffusion magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive imaging modality that allows the assessment of microarchitecture in biological tissues. Knowing the arrangement of myocardial fiber is important to fully understand cardiac electrophysiology in patients, and therefore to improve the treatment of complex arrythmia such as ventricular tachycardia. Nevertheless, efforts have to be made to apply diffusion MRI to moving organs because of the various artefacts created by displacements. Macroscopic motion, including cardiac contraction and breathing is in the range of a few millimeters, whereas diffusion motion is at the micrometer scale. To deal with cardiac motion, a cardiac-triggered diffusion-weighted spin-echo echo planar imaging sequence can be used with first and second order motion-compensated diffusion-encoding gradients. However, these sequences are very sensitive to the phase of the cardiac cycle chosen to perform the acquisition. Moreover, the ventricle coverage is often limited to a few slices due to the long scan time required to have sufficient SNR. Considering these limitations, the thesis has been separated in two parts with the following objectives: to implement a subject-specific cardiac synchronization and to set up an efficient protocol that performs a full coverage of the left-ventricle with isotropic resolution. The subject-specific cardiac synchronisation has been implemented using a real-time phase contrast (RTPC) sequence which is sensitive to motion. RTPC sequence provides knowledge on the variability in duration of cardiac phases. By modelling the cardiac variability, it was possible to study the quality of the diffusion measurement as a function of the cardiac phase. In regards of the results, the sequence can be valuable to optimize and/or adapt the trigger delay to target the diastasis. This phase is the quiescent phase of the cardiac cycle but also the most variable as a function of heart-rate. The online reconstruction of RTPC sequence has been successfully implemented to facilitate the deployment of the sequence to adapt the trigger delay for future clinical research, possibly with other applications. The focus of the second part of the work was to retrieve tri-dimensional information about myocardial fiber organisation with a full coverage of left ventricle. This full coverage is mandatory to simulate cardiac electrophysiology. A bulk motion-corrected super-resolution approach to cDTI has been proposed to improve spatial resolution without significant cost on SNR. Therefore, the total scan time can be reduced by this method. Evaluation in a numerical heart phantom and in a physical helicoidal phantom, have shown the improvement of spatial resolution and diffusion tensor estimation in a general case (except when the underlying geometry is highly favorable to low resolution images). This is of particular interest when there are significant changes in orientation of principal diffusion direction along the slice direction, according to the global geometry of the heart. The feasibility of super-resolution in-vivo cDTI on healthy volunteers has shown the applicability of the approach.