Encodage non-cartésien Sparkling pour l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf) à haute résolution spatio-temporelle à 7 Tesla et au-delà

Non-Cartesian Sparkling encoding for High spatio-temporal resolution functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) at 7 Tesla and beyond

• Auteur / Autrice : Zaineb Amor
• Direction : Alexandre Vignaud, Philippe Ciuciu
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Construction de grands instruments pour la neuroimagerie : de l'imagerie en population aux champs magnétiques ultra-hauts
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : METRIC
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie non cartésienne

IRMf à échantillonnage compressif

Ultra haut champ

Correction d'effet hors-resonance

Mesure du champ magnétique

Reconstruction d'images IRMf à fenêtre glissante

Non-Cartesian imaging

Compressed-sensing fMRI

Ultra-high field

Off-resonance correction

Magnetic field monitoring

Sliding-window fMR image reconstruction

Résumé

Depuis la découverte de l'effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) par Ogawa, l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf), qui repose sur ce phénomène, n'a eu de cesse de démontrer son intérêt pour l'exploration du cerveau, en repoussant toujours plus loin les limites de la compréhension ses mécanismes intimes. La méthode de référence pour acquérir les images en IRMf est appelée Echo-Planar Imaging (EPI). Cette technique est capable de capturer une image de l'intégralité du cerveau en quelques secondes tout en la pondérant par l'effet BOLD. L'augmentation de la résolution spatiale pour une résolution temporelle compatible avec l'hémodynamique cérébrale est particulièrement important pour améliorer la spécificité régionale de l'information en diminuant les effets de volume partiel, pour dissocier la contribution des gros vaisseaux, pour accéder à une information laminaire, pour réduire la réduction des artefacts dues aux hétérogénéités liées au champ magnétique statique. Elle montre cependant des limites à dépasser un certain seuil qui impose, sans changement de matériel majeur, d'étudier d'autres solutions. Une alternative importante à l'approche cartésienne qu'est l'EPI, a longtemps été mise de côté. Les approches d'acquisitions non-cartésiennes ont été remis sur le devant de la scène en particulier grâce à l'introduction du Sparkling, inventé au laboratoire. Cette idée n'a cependant jamais été mis en œuvre jusqu'ici dans le contexte de l'IRMf. Cette technique porte pourtant, grâce à ses propriétés de sous-échantillonnage héritées du Compressed-Sensing, la possibilité d'aller encore plus loin en terme d'efficacité d'enregistrement de l'information fonctionnelle. Le projet vise ainsi à évaluer la capacité de cette méthode à révolutionner ce domaine. Ce projet est vital à la réussite du projet de l'aimant 11.7T du projet ISEULT, il est complètement intégré dans le programme transverse de NeuroSpin intitulé « IRMf à 500 µm ». Le thème rejoint aussi les objectifs de l'OTI « Brainviews » (AMI Paris-Saclay) ainsi qu'à la maille « Technologie pour la Médecine du Futur » du CEA. Enfin il participe enfin à la valorisation du brevet Sparkling que nous cherchons à mettre sous licence chez les grands constructeurs d'IRM, une mission qui reste essentielle au CEA. L'objectif est de démontrer que la technique développée au laboratoire nommée Sparkling peut avoir un bénéfice important pour l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle L'IRM ISEULT à 11.7T s'apprête à rentrer en activité en début 2021. Un des attendus principaux se situe sur l'imagerie fonctionnelle. Cependant l'utilisation de simples méthodes conventionnelles ne permettront pas véritablement d'en tirer pleinement partie. Il est essentiel d'anticiper en proposant une méthode d'acquisition innovante pour cette application centrale de ce grand instrument.

Since the discovery of the BOLD (Blood Oxygen Level Dependent) effect by Ogawa, Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI), which is based on this phenomenon, has constantly demonstrated its interest in exploring the brain, pushing the limits of understanding its intimate mechanisms ever further. The reference method for acquiring fMRI images is called Echo-Planar Imaging (EPI). This technique is capable of capturing an image of the entire brain in a few seconds while weighting it by the BOLD effect. The increase in spatial resolution for a temporal resolution compatible with cerebral hemodynamics is particularly important to improve the regional specificity of the information by decreasing partial volume effects, to dissociate the contribution of large vessels, to access laminar information, to reduce the reduction of artifacts due to heterogeneities linked to the static magnetic field. However, it shows limits to exceed a certain threshold which imposes, without major hardware changes, to study other solutions. An important alternative to the EPI Cartesian approach has long been set aside. Non-Cartesian acquisition approaches have been brought back to the forefront, in particular with the introduction of Sparkling, invented in the laboratory. However, this idea has never before been implemented in the context of fMRI. However, thanks to its subsampling properties inherited from Compressed Sensing, this technique has the potential to go even further in terms of recording functional information. The project thus aims to evaluate the capacity of this method to revolutionize this field. This project is vital to the success of the 11.7T magnet project of the ISEULT project, it is fully integrated in NeuroSpin's transverse program entitled 'fMRI at 500 µm'. The theme is also in line with the objectives of the OTI 'Brainviews' (AMI Paris-Saclay) as well as with the CEA's 'Technology for the Medicine of the Future' mesh. Finally, it also participates in the development of the Sparkling patent that we are seeking to license to the major MRI manufacturers, a mission that remains essential to the CEA.