Thèse en cours

PredictAVC : Prédiction par IRM 4D de Flux de l'évolution des AnéVrismes intra-Craniens

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Auteur / Autrice : Esther Fontaine
Direction : Nicolas PassatStéphanie Salmon
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : MA - Mathématiques Appliquées
Date : Inscription en doctorat le 02/10/2023
Etablissement(s) : Reims
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur (Reims ; 2018-)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Reims, Marne ; 2004-....)

Résumé

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Description de la problématique de recherche : Ce projet s'inscrit dans une collaboration entre le laboratoire d'informatique de l'université de Reims, le CReSTIC, spécialisé dans le traitement d'images médicales, le service de neuroradiologie du CHU de Reims spécialisé dans le traitement des anévrismes et le laboratoire de Mathématiques de Reims, le LMR, spécialisé dans les simulations numériques. Un anévrisme intracrânien est une malformation des artères cérébrales qui correspond à une dilatation focale de la paroi d'une artère intracrânienne. Au sein de cette poche ou sac anévrismal circule du sang sous pression. La prévalence des anévrismes intracrâniens est de 3 à 6% dans la population générale suivant les données de la littérature. Bien que le taux de rupture soit assez faible, environ 1-2% par an et par anévrisme, il est majoré lorsqu'il y a une croissance. La morbi-mortalité d'une hémorragie méningée ou sous arachnoïdienne est importante avec 60% de décès dans les 3 mois et 30% gardant un handicap définitif. Le suivi de l'évolution des anévrismes est essentiel pour évaluer le risque de complications et guider les décisions cliniques en matière de traitement. Le ou les mécanisme(s) de la naissance et de la croissance des anévrismes restent encore inconnus. Ils se forment en regard d'une zone de faiblesse de la paroi de l'artère sous l'effet des variations hémodynamiques, le plus souvent au niveau des bifurcations artérielles. Cependant, plusieurs études ont montré que la croissance d'un anévrisme augmenterait significativement d'un facteur variant de 3 à 30 fois plus le risque de rupture. Les méthodes de stratification du risque et de planification thérapeutique (traitement endovasculaire (coïl) ou traitement chirurgical (clip)) sont actuellement uniquement fondées sur des paramètres empiriques (taille, âge, morphologie et localisation de l'anévrisme, état rompu ou non rompu ou facteurs exogènes comme l'hypertension intracrânienne, polykystose rénale autosomique dominante, tabagisme, alcool ou antécédents familiaux). Le principe du traitement des anévrismes cérébraux associé à un faible risque de rupture à long terme consiste à exclure l'anévrisme de la circulation artérielle tendant à confirmer l'impact de l'hémodynamique dans le risque de rupture des anévrismes. L'objectif de ce projet consiste à identifier des nouveaux biomarqueurs pertinents, sans aucun a priori de départ, en étudiant la paroi et l'hémodynamique dans les anévrismes intracrâniens. La caractérisation des flux et de la paroi en 4D en IRM pourrait permettre, à terme, de prédire l'évolution et le risque de rupture en rajoutant une quantification de la dynamique vasculaire dans les anévrismes et des forces engendrées sur les parois, au-delà des facteurs de risque traditionnels. Même si le gold standard pour la confirmation ou le suivi des anévrismes demeure l'artériographie X également utilisée pour effectuer un traitement endovasculaire (Coïls, Stent et Flow Diverter), cela reste néanmoins un examen invasif et irradiant. C'est pourquoi, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) tend à se généraliser notamment avec l'utilisation des séquences angiographiques (ARM) avec ou sans produit de contraste à la fois pour la détection ou le suivi des anévrismes cérébraux. L'IRM est une modalité d'imagerie très polyvalente capable de fournir une richesse d'informations de diagnostic à la fois morphologique et fonctionnelle. Il est en effet possible avec des séquences d'angiographie avec ou sans produit de contraste d'étudier la structure et la morphologie du réseau vasculaire cérébral mais également, avec des séquences d'angiographie par contraste de phase (PC-MRA), d'étudier la dynamique vasculaire en fournissant une information de vitesse. Ces acquisitions pouvant être synchronisées avec le rythme cardiaque, elles nous permettent désormais d'acquérir le flux sanguin en 3D tout au long du cycle cardiaque (acquisition 3D+t ou 4D). Le projet consiste à utiliser les dernières avancées d'acquisitions IRM, tout en restant accessible en routine, aussi bien au niveau structurel que fonctionnel avec l'étude de l'hémodynamique 4D dans le but d'identifier des biomarqueurs spécifiques, basés sur l'anévrisme particulier de l'individu. Il y aura diverses étapes au projet. Les séquences de flux 4D ont tout d'abord été développées pour l'étude de l'aorte qui est un vaisseau de gros diamètre. La première étape du projet consistera à optimiser voire développer une nouvelle séquence adaptée pour une utilisation sur la vascularisation cérébrale avec des vaisseaux de faible diamètre incluant des anévrismes de seulement quelques millimètres. Consécutivement à cette étape suivra une étape de prétraitement des images permettant de débruiter et d'atténuer les artéfacts de l'image provoquant des décalages de phase afin de restaurer une information de vitesse exacte au niveau des vaisseaux sanguins cérébraux. Une seconde étape de segmentation des vaisseaux permettra de se focaliser sur les flux des artères qui nous intéressent sans le bruit de fond environnant. Cette étape de segmentation est nécessaire et utile à deux points de vue. D'une part, elle permet d'extraire du bruit de fond les informations de vitesse en IRM en se centrant sur les artères d'intérêt. D'autre part, c'est un prérequis pour initialiser les modèles numériques de flux. En effet, un modèle d'écoulement de fluides nécessite une structure dans laquelle se propager. La troisième étape, la plus importante consistera à identifier de nouveaux biomarqueurs en étudiant la paroi et l'hémodynamique dans les anévrismes intracrâniens. Afin d'identifier ces nouveaux biomarqueurs, nous pourrons étudier l'hémodynamique particulière de chaque anévrisme avec l'aide de simulations numériques d'écoulement des fluides ou CFD (Computational Fluid Dynamics) puis d‘extraire des paramètres pertinents dans l'évolution des anévrismes qui pourront ensuite être transposés sur les données d'IRM 4D. Ce projet consiste à coupler les deux approches en utilisant les dernières avancées de l'IRM avec des séquences de flux 4D et l'utilisation des simulations numériques pour confronter, quantifier et identifier des biomarqueurs pertinents dans la prédiction de l'évolution des anévrismes intracrâniens. Enfin, une représentation visuelle informative des flux en 4D sera proposée pour permettre au médecin de repérer les zones de faiblesse et ainsi évaluer la rapidité de l'évolution et le risque encouru par le patient. Le challenge du projet consiste ainsi à réussir à 'faire parler' l'IRM qui est l'examen non invasif de routine pour la détection et le suivi des anévrismes et donner visuellement et quantitativement des biomarqueurs pertinents pour prédire le risque de développement et de rupture des anévrismes.