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Soutenance de Thèse

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.

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Soutenance de Thèse

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. Introduction Maladies pulmonaires obstructives chroniques 4eme cause de mortalité en Europe Les techniques de diagnostic disponibles scintigraphie, radiographie du thorax, scanner à rayon X, IRM du proton, tests fonctionnels diagnostic tardif

  3. Une nouvelle méthode : IRM des gaz hyperpolarisés U2R2M-Mainz University 2002 Images de la cavité pulmonaire - Image de haute résolution - Carte de ventilation temps réel1 • Carte physiologique : pO22, variation de taille alvéolaire3 (ADC) Méthode prometteuse 1 Salerno et al.MRM 46 p.667-77 (2001); 2 Deninger et al. MRM 47 p.105-14(2002); 3 Saam et al. MRM 44 p.174-179 (2000)

  4. - Principe et contraintes de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisé Plan Le temps de relaxation longitudinale T1 L’excitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion - Intérêt d’une intensité de champ faible pour l’IRM de l’hélium-3 HP dans les poumons Les séquences d’imagerie - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

  5. B0 M Le temps de relaxation longitudinale T1 Pompage Optique 0=B0 Etat hors équilibre instable Retour à l’équilibre thermodynamique T1 15-30s in vivo

  6. Plan - Principe et contraintes de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisé Le temps de relaxation longitudinale T1 L’excitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences d’imagerie - Intérêt d’une intensité de champ faible pour l’IRM de l’hélium-3 HP dans les poumons - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

  7. L’excitation radiofréquence RF Pour une polarisation Boltzmann: Signal RF temps Pour une polarisation obtenue par pompage optique: Signal RF Pas de régénération de l’aimantation temps

  8. Plan - Principe et contraintes de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisé Le temps de relaxation longitudinale T1 L’excitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences d’imagerie - Intérêt d’une intensité de champ faible pour l’IRM de l’hélium-3 HP dans les poumons - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

  9. T2* M M Temps de relaxation transversale et diffusion Signal temps Lorsque les spins diffusent: B B position position =B

  10. Plan - Principe et contraintes de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisé Le temps de relaxation longitudinale T1 L’excitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences d’imagerie - Intérêt d’une intensité de champ faible pour l’IRM de l’hélium-3 HP dans les poumons - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

  11. N TE TR RF Lecture Phase Sélection Les séquences d’imagerie (1) FLASH  • Angle limitant pondération RF et maximisant RSB • - Autorise T2* court • - Polarisation importante

  12. TE x/2 RF Lecture Phase Sélection Les séquences d’imagerie (2) RARE N y y • Grand angle de basculement • Maximum de signal • - Faible polarisation • - Une seule acquisition • - Nécessite T2 très long

  13. Plan - Principe et contraintes de l’IRM de l’hélium-3 hyperpolarisé Le temps de relaxation longitudinale T1 L’excitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences d’imagerie - Intérêt d’une intensité de champ faible pour l’IRM de l’hélium-3 HP dans les poumons - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

  14. z B0 Intérêt d’une intensité de champ faible pour l’IRM de l’hélium-3 HP Poumon est un immense interface entre air et tissu Air air Tissu tissu B0 G

  15. T2*  Rapport Signal sur Bruit (RSB)   + B0 + RSB Diffusion rapide atomes d’hélium dans G - Temps de vie du signal (T2*) RF Tobs  Réduit le temps d’observation optimal du signal (Tobs)

  16. 1,5T Scanner Signa GE (CIERM Kremlin Bicetre) 0,1TScanner Magnetech (Orsay)

  17. Plan - 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 T2* en fonction de l’intensité de B0 Comparaison de RSB à 0,1T et 1,5T - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

  18. Méthode (1) TE2 TE1 TR RF Lecture Phase Sélection N FLASH pondérée T2* FOV 400mm dz 10mm 6464 BW= 16kHz Alpha 10° TE1=3ms/TE2=9ms Inconvénient: Atténuation due au gradient bipolaire gênante pour haute résolution et (TE2-TE1) long 1,5T

  19. Méthode (2) 2ms N Calibration de l’angle de basculement À 0,1T Séquence entrelace l’acquisition des deux échos TE2 TE1 N FOV 400mm dz 10mm BW= 8; 4 kHz Alpha 10° TE1=18ms/TE2=34;75 ms RF Lecture Phase Sélection Images pondérées en T2* Inconvénients: Séquence pondérée par impulsions RF Acquisition longue

  20. Méthode (3) Masque Seuil = 3SD bruit TE1 TE2 S(TE2) S(TE1) Considérant une décroissance mono exponentielle

  21. 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

  22. Résultats (2) Pour Vvoxel= 391 mm3 A 1,5 T T2*= 16  1 ms A 0,1 T T2*= 36929 ms Temps de vie 23pluslong à bas champ à cette résolution Examinons l’effet sur RSB

  23. Plan - 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 Mesure de T2* à 0,1T et 1,5T Comparaison de RSB à 0,1T et 1,5T - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

  24. 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 - Application à l’imagerie 4 DI Hoult et al.JMR 34 p.425 (1979)

  25. Méthodes (2) Principe de réciprocité : M M: Aimantation  : Angle de basculement o : Fréquence de Larmor P: Puissance pour produire B1 dans une antenne RF k : Constante de Boltzmann T : Température NF : Facteur de bruit de la chaine de réception BW : Bande passante d’acquisition Nex: Nombre d’accumulations Nx,NY: matrice

  26. Méthode (3) • Mesures des différents paramètres indépendamment •  Détermination de RSBthéo • - Comparaison avec le RSB expérimental mesuré directement sur la FID in vitro et in vivo

  27. Résultats (1) • A 0,1T: • NF<1 dB • A 1,5T: • NF=1 dB

  28. Résultats (1) In vivo et in vitro à 0,1T

  29. Résultats (2) In vivo et in vitro à 1,5T

  30. Application à l’imagerie (1) Prédiction de RSB satisfaisante Influence de l’instrumentation quantifiée  Renormalisation de RSB des images faites aux deux champs

  31. Application à l’imagerie (3) Images FLASH 6464 Champ de vue 400mm 10mm d’épaisseur de coupe même volontaire 1,5T 0,1T RSB 17,5 RSB 14,1 Tobs 4ms TE 3ms Tobs 16ms TE 15ms V3He=17,4cm3 complètement polarisé V3He=9,4cm3 complètement polarisé TE utilisé à 0,1T  T2* à 1,5T!!!

  32. Discussion et Conclusion • Méthode prédictive de RSB fonctionne • Manque de points pour définitivement conclure sur l’intérêt pour RSB d’une imagerie bas champ magnétique

  33. Plan - 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 T2* en fonction de l’intensité de B0 Comparaison de RSB à 0,1T et 1,5T - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP

  34. z B0 Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP (1) Air air Tissu tissu air/tissu B0 G Z Des modèles de relaxation dans les poreux existent pour des cavités fermées. Sont-ils applicables?

  35. Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP (2) • Séquence CPMG (Carr Purcell Meiboom Gill): • - Impulsions  compensent les hétérogénéités du champ principal • - 20 ms Temps inter impulsion  (tcp). • Sans gradients y y y y y x/2 T2cpmg RF tcp/2 tcp

  36. Plan - 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 Influence du remplissage pulmonaire à 0,1T et 1,5T sur T2cpmg - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de l’hélium-3 HP Influence de la différence de susceptibilité à l’interface air tissu

  37. Méthode pour l’homme (1) 2 procédures d’inhalations: • 3He HP inhalé • puis de l’air jusqu’à atteindre la capacité pulmonaire totale (CPT) • Enfin respiration bloquée pendant l’acquisition • 3He HP inhalé • Expiration totale pour atteindre le volume résiduel (VR) • Enfin respiration bloquée pendant l’acquisition Sur 2 volontaires sains à 0,1T et 1,5T

  38. Méthode pour l’homme (2) 1,5 T 0,1 T • Monoexponentiel sur la première décade - Ajustement monoexponentiel (NLLS). - Test-t de Student appliqué pour déterminer la significativité de la différence entre les deux procédure de remplissage (p<0,05)

  39. Résultats pour l’homme Intensité du champ magnétique (T) T2cpmg (s) [N] nombre d’expériences 0,1 8,160,58 [7] 9,640,42 [7] 1,5 0,1100,042 [8] 0,2040,015 [11] p - T2cpmg avec le remplissage pulmonaire aux deux champs <0,001 < 310-7 - 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 • Significativité intéressante à 1,5T

  40. Méthode pour le rat 2 procédures d’inhalations: - 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 Sur 10 rats anesthésiés à 1,5T Collaboration avec l’équipe de Y.CREMILLIEUX (Laboratoire de RMN, Université Lyon I )

  41. Intensité du champ magnétique (T) T2cpmg (s) [N] nombre d’expériences 1,5 0,0990,011 [10] 0,1450.011 [16] p Résultats pour le rat <2,3 10-10 Même comportement que chez l’homme Excellente reproductibilité et significativité

  42. Discussion et Conclusions (1) Incompatibilité des résultats avec les modèles de relaxation • 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 6,2512,5 mm² 6 E.Durand et al. MRM47(1) p. 75-81 (2002) 7 C.Bidinosti et al. Talk at ISMRM 2003 Toronto

  43. 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

  44. Plan - 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 - 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

  45. Tissu tissu Compensation de la différence de susceptibilité à l’interface air tissu Principe: air=+0,4ppm MKSA Paramagnétique Air air Tissu tissu 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

  46. Méthode Pour 5 rats à 1,5T Injections intraveineuses d’un produit de contraste super paramagnétique: UPSIO (Fe3+) [Fe3+]=4,4310-3 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 )

  47. Résultats Concentration théorique T2cpmg X 4-5 mais 24% d’erreur avec la théorie

  48. Discussion et Conclusions Démontre l’effet de air/tissu sur T2cpmg Allongement de T2cpmg  Amélioration probable de T2* FLASH FOV 100mm dz 10mm 128128 TE/TR=17/36ms Tobs 32ms Même rat, même coupe à 1,5T 57,6 µmol de Fe3+ injecté (optimum de compensation) 0 µmol de Fe3+ injecté

  49. (1) • 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 Contre -Nécessite une acquisition longue pas compatible avec l’imagerie ventilation temps réel - Faible sensibilité au remplissage pulmonaire du temps de relaxation

  50. Conclusion Générale (2) • 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 Contre - Impossibilité de faire des acquisitions dans différentes positions - Appareils déjà très utilisés

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