soutenance de thèse
DESCRIPTION
Influence de l’intensité du champ magnétique sur l’imagerie RMN des poumons à l’aide d’hélium-3 hyperpolarisé. Alexandre VIGNAUD. Soutenance de Thèse. U. 2. R. M. Orsay, mardi 14 octobre 2003. Introduction. Maladies pulmonaires obstructives chroniques. 4 eme cause de mortalité en Europe. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
Le temps de relaxation longitudinale T1
0=B0
- 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
L’excitation radiofréquence RF
temps
Signal
temps
Signal
Pour une polarisation Boltzmann:
Pour une polarisation obtenue par pompage optique:
Pas de régénération de l’aimantation
RF
RF
- 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
Temps de relaxation transversale et diffusion
temps
Signal
T2*
B
M
B
M
position position
=B
Lorsque les spins diffusent:
- 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
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
- 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
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)
- 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
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
- 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
Mesure de T2* à 0,1T et 1,5T
Comparaison de RSB 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
- 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
T2* en fonction de l’intensité de B0
Comparaison de RSB à 0,1T et 1,5T
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
- 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
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
- 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
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.