Quantification des propriétés électriques des organes par imagerie par résonance magnétique

Quantification of Electrical Properties of Organs by Magnetic Resonance Imaging

• Auteur / Autrice : Zhongzheng He
• Direction : Freddy Odille, Pauline Lefebvre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 17/10/2024
• 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 : Olivier Beuf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Freddy Odille, Pauline Lefebvre, Marie Poirier-Quinot, Ulrich Katscher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Poirier-Quinot, Ulrich Katscher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrophysiologie

Imagerie par résonance magnétique

Tomographie de résistivité électrique

Permittivité

Conduction électrique

Propriétés électriques

Tissus (histologie)

Mots clés libres

IRM

EPT

Propriété électriques

Conductivité

Permittivité

DAS

MRI

EPT

Electrical properties

Conductivity

Permittivity

SAR

Résumé

Les propriétés électriques des tissus (EPs), qui comprennent la conductivité et la permittivité électriques, définissent la manière dont le courant circule dans le corps en réponse à un champ électromagnétique (EM). Ces propriétés sont influencées par la composition des tissus, la structure interne, le vieillissement et des facteurs tels que la teneur en eau, la concentration ionique et le milieu dans lequel elles se trouvent (intra- ou extracellulaire). Les EPs varient considérablement selon les tissus et les conditions pathologiques, en faisant des biomarqueurs potentiels pour des applications cliniques telles que le diagnostic du cancer, le suivi thérapeutique et la recherche étiologique fondamentale. De plus, comprendre les EPs permet de calculer la distribution du champ EM dans le corps, ce qui est crucial pour évaluer le débit d'absorption spécifique (DAS) personnalisé dans les systèmes IRM afin d'en assurer la sécurité radiofréquence (RF). Parmi les diverses technologies d'imagerie des EPs, la tomographie des propriétés électriques par résonance magnétique (EPT) se distingue par son caractère non invasif et sa haute résolution spatiale. L'EPT reconstruit la distribution spatiale quantitative des EPs à partir des variations du champ B1 mesurées en IRM. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer et d'optimiser les méthodes EPT, et d'explorer la variabilité des EPs dans la population afin de bénéficier à une modélisation précise du DAS. Cette thèse fournit un aperçu complet de l'état de l'art en matière d'EPT, détaillant l'analyse et la revue des méthodes de reconstruction et d'acquisition de données EPT. La performance de diverses méthodes EPT a d'abord été évaluée en utilisant des fantômes de conductivité en termes de précision et de limites de résolution. Compte tenu des avantages et des inconvénients de chaque technique proposée pour l'EPT par IRM, l'EPT basée sur l'image obtenue avec la séquence Ultra-short Echo Time (UTE) a été sélectionnée comme l'approche pratique la plus prometteuse. La deuxième partie de l'étude a porté sur l'évaluation de la précision de reconstruction de la permittivité dans l'EPT basée sur l'image avec différents angles de bascule de l'UTE. Un angle de bascule optimal pour la permittivité a été identifié, améliorant la fiabilité des mesures de permittivité. Troisièmement, pour garantir la validité des formulations EPT d'Helmholtz homogènes dans les grandes régions homogènes, un noyau adaptatif de Savitzky-Golay a été proposé pour prendre en compte des tissus de forme arbitraire avec des connaissances anatomiques préalables. De plus, une méthode numérique pour la version intégrale de surface de l'EPT a été développée, réduisant les effets de bruit en convertissant les dérivées secondes en dérivées premières dans la formulation. La quatrième partie de la thèse a exploré les changements de conductivité in vivo dans le cerveau et le torse en fonction de l'âge, de la fraction de graisse et du sexe. Ces résultats offrent des perspectives pour une modélisation précise du DAS avec des valeurs de conductivité corrigées, tenant compte de leur variabilité dans la population. Enfin, l'application de l'EPT dans le calcul du DAS local a été développée et comparée à celles basées sur les valeurs des EPs de la littérature. Cette comparaison a permis de valider la fiabilité de l'EPT, soulignant son importance dans la modélisation du DAS.

Tissue electrical properties (EPs), including electrical conductivity and permittivity, define the pathways through which current flows in the body in response to an electromagnetic (EM) field. These properties are influenced by tissue composition, internal structure, aging, and factors like water content, ion concentration, and the medium in which they reside (intra- or extracellular). EPs vary significantly across different tissues and pathological conditions, making them potential biomarkers for clinical applications such as cancer diagnosis, therapy monitoring, and fundamental etiology research. Additionally, understanding EPs allows for the calculation of EM field distribution within the body, which is crucial for assessing personalized specific absorption rate (SAR) in MRI systems to ensure radiofrequency (RF) safety. Among the various technologies for imaging EPs, Magnetic Resonance Electrical Properties Tomography (EPT) stands out due to its non-invasive nature and high spatial resolution. EPT reconstructs the quantitative spatial distribution of EPs from the measured B1 field variations in MRI. The overarching goal of this thesis is to evaluate and optimize EPT methods, and explore the variability of EPs in the population to benefit accurate SAR modeling. This thesis provides a comprehensive overview of the state-of-the-art in EPT, detailing the analysis and review of EPT reconstruction and data acquisition methods. The performance of various EPT methods was first evaluated using conductivity phantoms in terms of accuracy and resolution limits. Considering the advantages and drawbacks of each technique proposed for MR-EPT, image-based EPT with Ultra-short Echo Time (UTE) sequence was selected as the most promising practical approach. The second part of the study focused on evaluating permittivity reconstruction accuracy in image-based EPT with different flip angles of UTE. An optimal flip angle for permittivity was identified, enhancing the reliability of permittivity measurements. Thirdly, to ensure the validity of homogeneous Helmholtz EPT formulations in large homogeneous regions, an adaptive Savitzky-Golay kernel was proposed for any arbitrary tissue shape with anatomical prior knowledge. Additionally, a numerical method for the surface integral version of EPT was developed, providing reduced noise effects by converting second derivatives to first derivatives in the formulation. The fourth part of the thesis explored in vivo conductivity changes in the brain and torso related to age, fat fraction, and sex. These findings offer insights into accurate SAR modeling with corrected conductivity values, accounting for their variability in the population. Finally, the application of EPT in local SAR calculation was developed and compared with those based on literature EPs values. This comparison validated the reliability of EPT, emphasizing its importance in SAR modeling.