MP2RAGE radiale à excitations binomiales 
pour la cartographie multi-paramétrique de l’abdomen

Radial MP2RAGE with binomial excitations for multi-parametric mapping of the abdomen

• Auteur / Autrice : François Maingault
• Direction : Emeline Ribot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioimagerie
• Date : Soutenance le 03/07/2023
• 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 Résonance Magnétique des Systèmes Biologiques
• Jury : Président / Présidente : Baudouin Denis de Senneville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Ratiney, Benjamin Marty, Monique Bernard, Hervé Trillaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Ratiney, Benjamin Marty

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie

Abdomen

Pathologie

Foie

Imagerie tridimensionnelle

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Paramétrique

IRM

Séquence

Radial

Mp2rage

Parametric

MRI

Radial

Sequence

Mp2rage

Résumé

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie de choix car elle fournit des images avec des contrastes élevés, sur toute la profondeur du corps, tout en étant extrêmement sûre. Afin de diminuer la subjectivité et la variabilité entre les radiologues et entre les constructeurs, l'IRM paramétrique se développe. Cette méthode quantitative permet de mesurer un paramètre physique dans chaque voxel, donnant une échelle de comparaison dans le temps ou entre patients. Des méthodes ont été développées pour la neuro-imagerie et l'imagerie ostéo-articulaire, mais restent rares pour l’imagerie abdominale.Cette dernière reste difficile en raison des mouvements principalement induits par la respiration et le péristaltisme. Les méthodes actuelles sont donc appliquées lors d’apnées, ce qui conduit à sacrifier la résolution spatiale et à limiter l'encodage au 2D, qui est sensible au profil de coupe.Dans ce contexte, nous nous sommes concentrés sur la Magnetization Prepared 2 Rapid Gradient Echoes (MP2RAGE), une méthode 3D qui permet d'obtenir à la fois des informations anatomiques à haut contraste et quantitatives sur le cerveau humain. Dans ce cas, la relaxation longitudinale globale T1 est mesurée, et représente le T1 moyen des populations de spins présents dans un voxel. Le T1 spécifique de l’eau est, au contraire, un meilleur marqueur diagnostique et pronostique des pathologies hépatiques. De plus, le T1 spécifique à la graisse est utile pour mesurer les altérations du tissu adipeux survenant au cours de l'obésité. Enfin, la Fraction Graisseuse en Densité de Proton (PDFF) est un biomarqueur des maladies graisseuses, comme la stéatose. Ainsi, le but de mon travail a été de modifier la séquence MP2RAGE afin de l'optimiser pour l'imagerie abdominale, et de fournir toutes ces différentes cartes en une seule acquisition.Pour cela, l’encodage cartésien a été remplacé par un encodage radial afin d'améliorer sa robustesse au mouvement respiratoire. Des impulsions sélectives en fréquence ont été implémentées afin d'obtenir des cartes T1 spécifiques à l'eau et à la graisse. Des cartes PDFF ont été extraites en utilisant les paramètres précédemment mesurés et l'estimation des états de relaxation totaux grâce aux signaux MP2RAGE acquis.Après avoir été validée sur un échantillon contenant du gadolinium à différentes concentrations, ou de la graisse de porc à volume de graisse croissant, la nouvelle méthode a été appliquée à l'imagerie abdominale de volontaires sains à 3T. Aucun artefact respiratoire n'a été observé, ce qui a permis de mesurer les T1 spécifiques à l'eau, à la graisse et les PDFF sur tout l’abdomen; valeurs différentes de moins de 20 % par rapport aux méthodes standards. Le raccourcissement rétrospectif des acquisitions a prouvé qu'un protocole de moins de 10 min était tout à fait réalisable, sans altérer les mesures paramétriques.Dans la perspective de construire des cartes T1 au cours du cycle respiratoire et donc d'évaluer l'influence de la respiration sur les valeurs de T1 dans chaque organe, des navigateurs ont été insérés afin d'estimer le mouvement lors des acquisitions. Ensuite, deux méthodes de post-traitement différentes ont été mises en œuvre. La première utilisant le signal de la graisse (qui reste élevé pendant les deux acquisitions GRE) a permis de réaligner les images après correction de translation. La seconde est optimisée à partir d'une méthode précédemment développée pour l'imagerie cardiaque (collaboration avec l'Université de Lausanne), et utilise des translations et déformations dans chaque voxel pour réaligner les images.En conclusion, la méthode développée ici a permis de générer des images abdominales MP2RAGE à contraste élevé, des cartes T1 spécifiques à l'eau et à la graisse et des cartes PDFF en une seule acquisition 3D. Des travaux futurs doivent être menés pour accélérer encore l'acquisition et l'insensibiliser aux mouvements afin de fournir des informations temporelles.

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an imaging technique of choice as it provides images with high contrasts, over the entire depth of the body, while being extremely safe. In order to decrease the subjectivity and the variability between image readers and between vendors, parametric MRI is expending. This quantitative way enables to measure a physical parameter in each voxel, giving a scale for comparison over time or between patients. Lots of methods have been developed for neuro-imaging and skeletal imaging, but they remain rare for applications in the thorax and the abdomen.Abdominal imaging remains challenging due to motion mostly induced by breathing, heart beats and peristaltism. That is why the standard MRI methods are applied during breath holds, which leads to sacrificing the in-plane spatial resolution and limiting the encoding to 2D that is very sensitive to slice profile.In this context, we focused on the Magnetization Prepared 2 Rapid Gradient Echoes (MP2RAGE), which is a MR method that enables to obtain both high contrast-anatomical and quantitative informations on the human brain. In this case, the global T1 longitudinal relaxation is measured rapidly and in 3D. Nevertheless, as the global T1 measures the mean T1 of all the spin population within a voxel, the water T1 can be biased. On the contrary, water-specific T1 appears to be a better diagnostic and pronostic marker of liver pathologies than the global T1. Also the fat-specific T1 could be useful to measure alterations in the fatty tissue occurring during obesity. Finally, the Proton Density Fat Fraction (PDFF) is a biomarker of fatty diseases, like steatosis. Thus, the goal of my work was to modify the MP2RAGE sequence in order to optimize it for abdominal imaging, and also to provide all these different maps in one acquisition.To do so, the Cartesian encoding was replaced by a radial one in order to improve its robustness to respiration motion. Also, frequency-selective pulses, combining several hard sub-pulses, were implemented in order to obtain water-specific and fat-specific T1 maps. In addition, PDFF maps were extracted by using the previously measured parameters and the estimation of total relaxation state due to the acquired signals.After being validated on a phantom containing either gadolinium at different concentrations or pork fat at increasing fat volume, the new method was applied for abdominal imaging of healthy volunteers at 3T. No respiration artifact was observed which enabled to measure water-specific, fat-specific and PDFF of the whole abdomen, which values were less than 20% biased compared to standard methods. Also, the high contrast between the different organs on the MP2RAGE images lead to the possibility of developing an automatic segmentation.Retrospectively shortening the acquisitions proved that a less than 10-min protocol was highly feasible, without altering the parametric measurements.In the perspective of building T1 maps during the breathing cycle and consequently to assess the influence of respiration on the T1 values in each organ, navigators were inserted in order to estimate motion during the acquisitions. Then, two different post-processing methods were implemented. The first one using the signal from the subcutaneous fat (that remains high during both GRE blocks) enabled to re-align the images after translation correction. The second one is being optimized from a method previously developed for cardiac imaging, and uses translations and deformations of each voxel to re-align the images. This is currently performed in collaboration with Lausanne University.In conclusion, the method developed here enabled to generate high-contrast MP2RAGE abdominal images, water- and fat- specific T1 maps, and PDFF maps in a single 3D acquisition. Future work needs to be done to further accelerate the acquisition, and insensitize it to motion in order to provide temporal information.