High resolution MR imaging of the arrhythmogenic cardiac substrate
Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) haute résolution du coeur pour la caractérisation du substrat arythmogène
Résumé
Cardiovascular magnetic resonance (CMR) is the clinical imaging modality of reference for characterizing anatomical substrate of pathological hearts. In addition to its high diagnostic value resulting from versatile contrasts it can generate, CMR has also a potential interest in interventional imaging for guiding in real-time minimally or non-invasive therapies. However, current spatial resolution of MRI images in clinical scanners remains limited to 1 mm at best, which provides insufficient value for diagnosis and for precise visualization of atrial walls (2 to 5 mm thickness) or for characterizing thermal lesions during interventional procedures. Limited signal-to-noise ratio provided by large receiver coils, together with cardiac and respiratory motions are limiting factors that justify technical developments to increase the value of cardiac MRI. This thesis work aimed at proposing innovative solutions to alleviate the aforementioned challenges, through a combined development of dedicated hardware and software.In order to increase the signal-to-noise ratio of MRI and improve spatial selectivity onto the heart, a receive-only surface coil prototype was designed and interfaced with the scanner. We demonstrate that with such a small coil, a gain in SNR of approximately 30 can be achieved and that good quality images with a spatial resolution of 200 µm in-plane can be obtained at clinical field both on ex vivo samples of fixed hearts and on beating hearts.In a second part of the work, motion compensation techniques were investigated exploiting MR-compatible micro-coils embodied on a catheter. A home-made acquisition sequence was implemented, combining rapid (~27 ms) and precise (less than 1 mm uncertainty) 3D measurements of the coil position interleaved with acquisition of several radial k-space lines. Retrospective sorting of raw-data as a function of micro-coil positions allowed reconstruction of good quality images from highly under sampled k-spaces using nonlinear algorithms (compress sensing, total variation, nuFFT). Validation was first assessed on a mobile calibration phantom depicting linear and rotating trajectories with realistic parameters (60-90 bpm, 2 cm amplitude). Then, in vivo evaluation was performed in sheep and in pig to illustrate efficiency of the method and compare it to conventional synchronization with ECG and respiratory sensors.In an attempt to combine high-resolution imaging with motion compensation technique, a preliminary study was conducted that combines imaging with our local surface coil and catheter-based motion compensation using our implemented acquisition sequence and associated reconstruction algorithm. Results obtained in vivo shows the potential of such a technique for providing motion-free high resolved images of the ventricle wall at 300 µm in-plane spatial resolution.These technologies being later intended for human use, safety aspects inherent to insertion of a MRI receiver coil inside the body were also investigated. Since thermal damage is the main risk associated with inserted devices, a MRI-thermometry technique that interleaves acquisition of several gradient echo EPI slices every second and an energy deposition module with adjustable parameters was implemented to quantify temperature evolution in tissue surrounding an implanted wire. Experiments in gel and in human brain demonstrated feasibility to measure temperature change with 0.2°C certainty. Such a precision was considered sufficient to evaluate device safety. The method could therefore be used to establish individualized safety levels for RF exposure in the presence of implanted device (such as an intravascular coil).This thesis work presents the first technical steps toward high-resolution motion free CMR. Applications are better substrate definition for enhanced diagnosis and improved lesion characterization during MR-guided interventional procedures.
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) cardiaque est la modalité clinique de référence pour caractériser le substrat anatomique à l’origine de pathologies cardiaques. En plus de sa haute valeur diagnostic liée à la multiplicité des contrastes qu’elle peut générer, l’IRM cardiaque présente un intérêt potentiel pour le suivi en temps réel des thérapies mini- ou non-invasives en imagerie interventionnelle. Cependant, la résolution spatiale actuelle des images en clinique reste limitée au mieux à 1 mm, ce qui est insuffisant pour fournir un diagnostic précis et estimer l’étendue de la lésion créée par radiofréquence (RF). En particulier, l’exploration de l’oreillette reste difficile du fait de la faible épaisseur du tissu atrial (2 à 5mm). Le rapport signal sur bruit (RSB) limité des antennes utilisées en clinique ainsi que la présence de mouvements respiratoires et cardiaques constituent les principaux verrous technologiques à lever pour augmenter la valeur diagnostic de l’IRM cardiaque.Une première étude s’est concentrée sur l’augmentation du RSB en IRM et l’amélioration de la sélectivité spatiale au niveau du cœur. Un prototype d’antenne de surface en réception seule a été conçu et interfacé avec le scanner. Les expériences menées ont démontré qu’un gain de 30 en RSB pouvait être obtenu en utilisant une telle antenne de surface, permettant l’acquisition d’images à une résolution spatiale de 200 µm dans le plan, à champ clinique, sur échantillons ex vivo comme sur cœur battant.Une deuxième étude s’est attachée au développement d’un algorithme pour la compensation du mouvement basé sur l’exploitation de micro-antennes intégrées à un cathéter. Une séquence d’acquisition qui combine une mesure 3D rapide (~27 ms) et précise (incertitude inférieure à 1 mm) de la position des micro-antennes entrelacée avec une acquisition radiale du k-space a été implémentée. Le tri rétrospectif des données brutes en fonction des positions des micro-antennes a permis de reconstruire des images de bonne qualité à partir de k-space fortement sous-échantillonnés à l'aide d'algorithmes non linéaires (compressed sensing, variation totale, nuFFT). Après validation sur un phantom mobile, décrivant un mouvement de translation linéaire et circulaire avec des paramètres réalistes (60-90 bpm, amplitude de 2cm), une évaluation in vivo a été réalisée sur cochon et mouton. Ceci a permis d’illustrer l’efficacité de la méthode et de la comparer à la méthode conventionnelle de synchronisation cardiaque et respiratoire. Une étude préliminaire combinant l'imagerie avec l’antenne de surface locale et l'algorithme de compensation de mouvement a ensuite été menée. Les résultats obtenus in vivo montrent le potentiel d’une telle technique pour obtenir des images hautes résolution de la paroi ventriculaire (300 µm dans le plan), affranchies de tout mouvement.Ces technologies étant destinées à une utilisation future chez l’homme, les aspects inhérents à l’insertion d’une antenne intravasculaire chez le patient ont été étudiés. Les dommages thermiques étant le principal risque associé aux dispositifs implantés, une méthode de thermométrie IRM alternant un module de déposition d’énergie ajustable avec l’acquisition d’images EPI a été implémentée pour quantifier l’évolution de la température dans les tissus environnant un fil implanté. Les expériences menées sur gel et cerveau humain ont démontré la possibilité de mesurer la température avec une précision de 0.2°C. Une telle précision est considérée suffisante pour évaluer la sécurité des dispositifs implantés.Ce travail de thèse présente les premières étapes techniques vers une IRM cardiaque haute résolution sans mouvement. Les applications sont une meilleure définition du substrat pour un diagnostic amélioré et une meilleure caractérisation des lésions pendant les procédures d’intervention guidées par IRM.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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