Diffusion and perfusion simultaneous quantification with magnetic resonance imaging : application to cerebral ischemic stroke.
Quantification simultanée de la diffusion et de la perfusion cérébrale en imagerie par résonance magnétique : application au diagnostic de l’accident vasculaire cérébral ischémique.
Résumé
Ischemic stroke is a serious neurological disease of public health concern that constitutes a major cause of death and high costs of medical care. A quick and accurate diagnosis based on both clinical signs and medical images is necessary for the therapeutic decision (thrombolysis or mechanical thrombectomy). In accordance with the current recommendations, MRI is the primary intention modality to perform in order to confirm the ischemic stroke suspicion. The choice of a thrombolysis treatment is guided by the presence of a diffusion-perfusion mismatch, determined with two different sequences, and is associated with a better life outcome for the patient. The IVIM (« Intravoxel Incoherent Motion ») MRI sequence allows for the simultaneous diffusion and microperfusion quantification with the biexponential analysis of the diffusion signal obtained by a diffusion sequence sensitized to perfusion. This sequence could be of great interest for the ischemic stroke diagnosis. The methodological aspects implemented during this thesis consisted of the optimization of the acquisitions and data processing of IVIM imaging for quantitative assesments of cerebral diffusion and perfusion. First of all, the conventional biophysical model and IVIM sequence acquisitions were implemented and validated with a study on healthy subjects, in comparison with perfusion assesments obtained using ASL (Arterial Spin Labeling). Secondly, the conventional model was modified to consider the non-gaussian diffusion behavior in tissues with an additional quantitative parameter estimation, the kurtosis (DKI-IVIM model). This new model was also validated with a study on healthy subjects in comparison with the standard biexponential IVIM model. Finally, this method was applied in a clinical setting on five stroke patients. The preliminary results demonstrated the DKI-IVIM method efficiency for the acute ischemic stroke diagnosis when compared with the conventional diffusion-ASL perfusion with the additional estimation of the kurtosis for a better lesion characterization.
L’accident vasculaire cérébral ischémique (AVCi) représente un véritable enjeu de santé publique avec des taux de mortalité et des coûts de prise en charge élevés. L’établissement d’un diagnostic rapide et précis basé sur les signes cliniques et les résultats de l’imagerie médicale est nécessaire pour la prise de décision thérapeutique (thrombolyse ou plus récemment la thrombectomie mécanique). Conformément aux recommandations actuelles, l’IRM est la modalité d’imagerie de première intention à réaliser pour confirmer la suspicion d’AVCi. La réalisation d’une thrombolyse est notamment guidée par l’existence d’une discordance (ou « mismatch ») diffusion-perfusion, déterminée à partir de deux séquences distinctes, associée à un meilleur pronostic pour le patient. La séquence IVIM (« Intravoxel Incoherent Motion») permet l’étude simultanée de la diffusion et de la microcirculation à partir de l’analyse biexponentielle du signal issu d’une unique séquence de diffusion sensibilisée à la perfusion. Par conséquent, cette séquence présente un fort potentiel pour le diagnostic de l’AVCi. Le travail méthodologique de cette thèse a consisté en l’optimisation des acquisitions et des traitements de données pour l’imagerie quantitative simultanée de la diffusion et de la perfusion cérébrale avec la méthode IVIM. Dans un premier temps, le modèle biophysique conventionnel et les acquisitions de la séquence IVIM ont été validés dans le cadre d’une étude sur sujet sain, en comparaison aux mesures de perfusion obtenues avec l’ASL (Arterial Spin Labeling). Dans un deuxième temps, le modèle conventionnel a été modifié pour la prise en compte du comportement non-gaussien de la diffusion dans le parenchyme cérébral à l’aide d’un paramètre quantitatif supplémentaire, le kurtosis (modèle DKI-IVIM). Ce modèle a été validé expérimentalement avec une étude sur sujet sain en comparaison au modèle standard biexponentiel IVIM. Enfin, la méthodologie développée a été mise en œuvre dans un cadre clinique sur cinq patients souffrant d’AVCi. Les résultats préliminaires obtenus démontrent l’efficacité de la méthode DKI-IVIM pour le diagnostic de l’AVCi en phase aigüe, en comparaison avec la méthode conventionnelle diffusion-perfusion ASL avec l’estimation du paramètre supplémentaire du kurtosis permettant une meilleure caractérisation de l’atteinte parenchymateuse.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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