Soutenance de Thèse

U2R M

Soutenance de Thèse

Alexandre VIGNAUD

Orsay, mardi 14 octobre 2003

Influence de l’intensité du champ magnétique sur l’imagerie RMN des

poumons à l’aide d’hélium-3 hyperpolarisé

Les techniques de diagnostic disponiblesIntroductionMaladies pulmonaires obstructives chroniques

diagnostic tardif

4eme cause de mortalité en Europe

radiographie du thorax, scanner à rayon X, scintigraphie,

IRM du proton, tests fonctionnels

Une nouvelle méthode : IRM des gaz hyperpolarisés

- Image de haute résolution

- Carte de ventilation temps réel1

- Carte physiologique : pO2 2, variation de taille alvéolaire3 (ADC)

1 Salerno et al. MRM 46 p.667-77 (2001);

U2R2M-Mainz University 2002

Méthode prometteuse

Images de la cavité pulmonaire

2 Deninger et al. MRM 47 p.105-14 (2002); 3 Saam et al. MRM 44 p.174-179 (2000)

- Principe et contraintes de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisé

- Intérêt d’une intensité de champ faible pour l’IRM de l’hélium-3 HP dans les poumons

Plan

- Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

Le temps de relaxation longitudinale T1

L’excitation radiofréquence RF

Temps de relaxation transversale et diffusion

Les séquences d’imagerie

B0 M

Pompage Optique

Etat hors équilibre instable

Retour à l’équilibre thermodynamique T1 15-30s in vivo


0=B0



Plan







temps

Signal

temps

Signal

Pour une polarisation Boltzmann:

Pour une polarisation obtenue par pompage optique:

Pas de régénération de l’aimantation

RF

RF



Plan







temps

Signal

T2*

B

M

B

M

position position

=B

Lorsque les spins diffusent:



Plan






Les séquences d’imagerie (1)

FLASH

NTE

RF

Lecture

Phase

Sélection

TR

-Angle limitant pondération RF et maximisant RSB

- Autorise T2* court

- Polarisation importante

Les séquences d’imagerie (2)

RARE

N

RF

Lecture

Phase

Sélection

- Grand angle de basculement

- Maximum de signal

- Faible polarisation

- Une seule acquisition

- Nécessite T2 très long

TE

x/2 yy



Plan






Poumon est un immense interface entre air et tissu

ztissu/air

z

B0

Tissu tissu

Air air

B0G

Intérêt d’une intensité de champ faible pour l’IRM de l’hélium-3 HP

Diffusion rapide atomes d’hélium dans G

+ B0 + RSB

- Temps de vie du signal (T2*)

Réduit le temps d’observation optimal du signal (Tobs)

obsT Rapport Signal sur Bruit (RSB)

T2*

RF

Tobs

1,5T Scanner Signa GE

(CIERM Kremlin Bicetre)

0,1T Scanner Magnetech

(Orsay)



Plan


T2* en fonction de l’intensité de B0

Comparaison de RSB à 0,1T et 1,5T

N

Méthode (1)

FLASH pondérée T2*

FOV 400mm dz 10mm6464BW= 16kHzAlpha 10°TE1=3ms/TE2=9ms

TE1

RF

Lecture

Phase

Sélection

TE2

TR

Inconvénient:Atténuation due au gradient bipolaire gênante pour haute résolution et (TE2-TE1) long 1,5T

Méthode (2)

Sélection

NTE2

Lecture

Inconvénients:

N2ms

Calibration de l’angle de basculement

FOV 400mm dz 10mmBW= 8; 4 kHzAlpha 10°TE1=18ms/TE2=34;75 ms

Séquence pondérée par impulsions RF

Acquisition longue

Séquence entrelace l’acquisition des deux échosÀ 0,1T

Images pondérées en T2*

TE1

RF

Phase

TE1 TE2

S(TE1) S(TE2)

Masque

Seuil = 3SD bruit

)TE(S)TE(S

ln

TETE*T

21

122

Considérant une décroissance mono exponentielle

Méthode (3)

Résultats (1)

L’utilisation de (TE2-TE1) court pour limiter le temps d’acquisition (donc les artefacts de mouvements):

Importante incertitude sur les résultats

Etude pixel à pixel difficile à 1,5 T et impossible à 0,1T

Etude de T2* moyen aux deux champs

Résultats (2)

A 1,5 T

Temps de vie 23 plus long à bas champ à cette résolution

T2*= 16 1 ms

A 0,1 T

T2*= 369 29 ms

Examinons l’effet sur RSB

Pour Vvoxel= 391 mm3



Plan


Mesure de T2* à 0,1T et 1,5T


Méthode (1)

Difficulté:

Comparer du RSB d’images faites avec deux scanners différents!

- Validation d’une méthode de mesure de RSB absolue basée sur le principe de réciprocité4

4 DI Hoult et al. JMR 34 p.425 (1979)

- Application à l’imagerie

Principe de réciprocité :

M : Aimantation : Angle de basculemento : Fréquence de LarmorP : Puissance pour produire B1 dans une antenne RF

k : Constante de BoltzmannT : TempératureNF : Facteur de bruit de la chaine de réceptionBW : Bande passante d’acquisitionNex: Nombre d’accumulationsNx,NY: matrice

W

YXex*T

TE

B

NNNesin 2

Méthodes (2)

théoRSB 2010 104

NF

PkT

B M

- Mesures des différents paramètres indépendamment

Détermination de RSBthéo

- Comparaison avec le RSB expérimental mesuré directement sur la FID in vitro et in vivo

Méthode (3)

• A 0,1T:

NF<1 dB

• A 1,5T:

NF=1 dB

WT.s 78,5P

B 1/2-1- 10

WT.s 3,658,9P

B 1/2-1- 10

Résultats (1)

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0

RSB théo

RS

B e

xpIn vivo

In vitro

Ajustement linéaire in vitro

Ajustement linéaire in vivo

Résultats (1)

In vivo et in vitro à 0,1T

Résultats (2)

In vivo et in vitro à 1,5T

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0

RSB theo

RS

B e

xp

In vitro

in vivo

ajustement lineaire in vivo

érenormalisRSB

Application à l’imagerie (1)

Prédiction de RSB satisfaisante

Influence de l’instrumentation quantifiée

Renormalisation de RSB des images faites aux deux champs

w

yxvoxel B

NNsinV

expRSB

gazHPV 2010 10NF

P

B

0,1T

Images FLASH 6464Champ de vue 400mm

10mm d’épaisseur de coupemême volontaire

1,5T

TE utilisé à 0,1T T2* à 1,5T!!!

Application à l’imagerie (3)

RSB 14,1 RSB 17,5

V3He=9,4cm3 complètement polarisé

V3He=17,4cm3

complètement polarisé

Tobs 4msTobs 16ms TE 15ms TE 3ms

- Méthode prédictive de RSB fonctionne

Discussion et Conclusion

- Manque de points pour définitivement conclure sur l’intérêt pour RSB d’une imagerie bas champ magnétique



Plan


T2* en fonction de l’intensité de B0


z

B0

Tissu tissu

Air air

B0GZ

Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP (1)

air/tissu

Des modèles de relaxation dans les poreux existent pour des cavités fermées. Sont-ils applicables?

Séquence CPMG (Carr Purcell Meiboom Gill):

- Impulsions compensent les hétérogénéités du champ principal

- 20 ms Temps inter impulsion (tcp).

- Sans gradients

RF

x/2 y T2cpmg

tcp/2 tcp

y y y y

Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP (2)

- Principe et contraintes de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisés


Plan


Influence du remplissage pulmonaire à 0,1T et 1,5T sur T2cpmg

Influence de la différence de susceptibilité à l’interface air tissu

2 procédures d’inhalations:

- 3He HP inhalé

- Expiration totale pour atteindre le volume résiduel (VR)

- Enfin respiration bloquée pendant l’acquisition

-3He HP inhalé

- puis de l’air jusqu’à atteindre la capacité pulmonaire totale (CPT)

- Enfin respiration bloquée pendant l’acquisition

Méthode pour l’homme (1)

Sur 2 volontaires sains à 0,1T et 1,5T

Méthode pour l’homme (2)

0,1 T 1,5 T

-Monoexponentiel sur la première décade

0.1

1

0 200 400

temps (ms)

Sig

na

l no

rma

lisé

(a

.u)

0.1

1

0 2000 4000

time (ms)

Sig

na

l no

rma

lisé

(a

.u)

- Ajustement monoexponentiel (NLLS).

- Test-t de Student appliqué pour déterminer la significativité de la différence entre les deux procédure de remplissage (p<0,05)

Intensité du champ

magnétique (T)

T2cpmg (s) [N] nombre d’expériences

0,1 8,160,58[7]

9,640,42[7]

1,5 0,1100,042[8]

0,2040,015[11]

Résultats pour l’homme

- T2cpmg 48 à 72 fois + long à 0,1T qu’à 1,5T

Ce qui est contraire aux théories classiques sur T2cpmg dans les poreux

<0,001

< 310-7

- Significativité intéressante à 1,5T

p

- T2cpmg avec le remplissage pulmonaire aux deux champs

2 procédures d’inhalations:

Méthode pour le rat

Sur 10 rats anesthésiés à 1,5T

- 3He HP inhalé jusqu’à atteindre 30cm H2O (CPT) puis acquisition

- 3He HP inhalé jusqu’à atteindre 30cm H20 (CPT) suivie de l’extraction de 10mL puis acquisition

Collaboration avec l’équipe de Y.CREMILLIEUX (Laboratoire de RMN, Université Lyon I )

Intensité du champ

magnétique (T)

T2cpmg (s) [N] nombre d’expériences

1,50,0990,01

1[10]

0,1450.011

[16]

<2,3 10-10

Résultats pour le rat

Excellente reproductibilité et significativité

Même comportement que chez l’homme

p

Discussion et Conclusions (1)

A 0,1 T

- Sensibilité faible au remplissage pulmonaire

- Long T2cpmg 10s

Imagerie RARE facile à bas champ6 et très bas champ7

Image RARE

Poumons humains en projection à 3mT7

Spixel 6,2512,5 mm²

6 E.Durand et al. MRM47(1) p. 75-81 (2002)

7 C.Bidinosti et al. Talk at ISMRM 2003 Toronto

Incompatibilité des résultats avec les modèles de relaxation

Discussion et Conclusion (2)

A 1,5 T

Bonne sensibilité au remplissage pulmonaire

Possibilité de lier ce paramètre à la taille alvéolaire

Importance du protocole d’inhalation pour les mesures de temps de relaxation transversale

-T2cpmg court 200ms

Imagerie RARE difficile

- Principe et contraintes de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisés


Plan


Influence du remplissage pulmonaire à 0,1T et 1,5T sur T2cpmg

Influence de la différence de susceptibilité à l’interface air tissu

Compensation de la différence de susceptibilité à l’interface air tissu

Principe:

Tissu tissu

Air air

air=+0,4ppm MKSA

Paramagnétique

tissu= parenchyme+ sang=-9,1ppm MKSA

Diamagnétique

Si on injecte un super paramagnétique dans le sang on peut modifier la susceptibilité globale du tissu…

Jusqu’à égaler celui de l’air et ainsi neutraliser le gradient

Tissu tissu

Méthode

Pour 5 rats à 1,5T

Injections intraveineuses d’un produit de contraste super paramagnétique: UPSIO (Fe3+)

[Fe3+]=4,4310-3 mol/L estimé pour optimum de compensation

Attente pour uniformisation de la concentration sanguine

Inhalation de 3He HP 30cm H2O en CPT

Acquisition de trains CPMG

Analyse monoexponentielle de T2cpmg

Manipulations faites avec l’équipe de P. ROBERT (Groupe GUERBET )

Résultats

T2cpmg X 4-5

Concentration théorique

mais 24% d’erreur avec la théorie

0

200

400

600

800

1000

0.0E+00 2.0E-03 4.0E-03 6.0E-03

[Fe3+] estimé (mol/L)

T2

cp

mg

(m

s)

RAT 2_0RAT 2_1RAT 2_2RAT 1_2RAT 1_3

Discussion et Conclusions

Démontre l’effet de air/tissu sur T2cpmg

0 µmol de Fe3+ injecté

FLASHFOV 100mm dz 10mm

128128TE/TR=17/36ms

Tobs 32msMême rat, même coupe

à 1,5T

57,6 µmol de Fe3+ injecté(optimum de compensation)

Allongement de T2cpmg

Amélioration probable de T2*

Pour le bas champ:

-Facilité pour imager (T2cpmg et T2* longs), RSB meilleur

-Appareils très faible champ portables peu chers et permettant une imagerie dans différentes positions

Conclusion Générale

(1)

Contre

-Nécessite une acquisition longue pas compatible avec l’imagerie ventilation temps réel

- Faible sensibilité au remplissage pulmonaire du temps de relaxation

Pour le haut champ:

- Bonne sensibilité au remplissage pulmonaire du temps de relaxation

- Utilisation d’appareils très largement distribués

- Compensation de susceptibilité offre des possibilités d’amélioration des images et d’utilisation de nouvelles séquences

Conclusion Générale (2)

Contre

- Impossibilité de faire des acquisitions dans différentes positions

- Appareils déjà très utilisés

- Modèle de relaxation transversale dans les poumons

A bas champ:

- Exploration de l’imagerie à des champs encore plus bas

A haut champ:

Compensation de la susceptibilité

- Essai de nouvelles séquences (RARE, EPI) dans de bonnes conditions

- Rehaussement de l’imagerie ventilatoire dépend de la perfusion

Conclusion Générale (3)

Perspectives

Remerciements particuliers à :

Geneviève GUILLOTLuc DARRASSEXavier MAITRE

Emmanuel DURANDLudovic De ROCHEFORT

Elana BRIEFJacques BITTOUN

Genevieve TASTEVINPierre-Jean NACHER

Jamal CHOUKEIFEChristopher BIDINOSTI

Michèle LEDUC

LKB

U2R M

Yannick CREMILLIEUXDavid DUPUICHVasile STUPAR

Ernst OTTENWerner HEIL

Stefan HIEBELJorg SCHMIEDESKAMPF

Philippe ROBERTClaire COROT

Véronique VIVESRobin SANTUS

pO2

Influence de la distribution de pO2 sur la variation de T2*antério-postérieur

T2* de 7-8%

Antérieur

Postérieur

pO2 de 33%

Or Or pO2 affecte le temps de vie8 de l’aimantation donc du signal (T2*)

Si on a une diminution de 50% de pO2 entre l’avant et l’arrière des poumons alors:

T2* sur le temps d’observation considéré (15-70ms) <1% seulement !

8 Saam B. et al. Phys Rev A 1995; 52:862-865.

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