Elastographie par Résonance Magnétique : Contrôle optimal pour l’encodage du mouvement à temps d’écho court et acquisitions multifréquence simultanée - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Magnetic Resonance Elastography: Optimal control for short echo time motion encoding and simultaneous multifrequency acquisitions

Elastographie par Résonance Magnétique : Contrôle optimal pour l’encodage du mouvement à temps d’écho court et acquisitions multifréquence simultanée

Résumé

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a non-invasive imaging technique that characterizes the viscoelastic properties of biological tissues in vivo based on information about the propagation of an external mechanical wave through the explored tissue. Typically, a conventional MRE sequence encodes motion through the application of motion encoding gradients (MEGs), which oscillate at the same frequency as the mechanical wave and are placed between the excitation and the signal readout. However, the presence of these gradients limits the use of the technique when characterizing short T2 tissues. Indeed, their presence lengthens the minimum echo time. Moreover, this principle of motion encoding finds its limits when we are interested in high frequency excitations because of the limitations of the slew rate of the gradient system. Furthermore, the acquisition of data at multiple frequencies, which is very interesting because it allows a more detailed mechanical characterization, is usually done through repetitions of single frequency acquisitions at different frequencies. Consequently, the examination time required becomes very long. In this context, this thesis aims to overcome these limitations by proposing innovative multi-frequency acquisition and motion encoding strategies. The first part of this thesis presents a strategy for the simultaneous encoding of high and low frequency motions. By using odd harmonics of trapezoidal MEGs, it is possible to significantly increase the frequency of shear waves used in MRE without increasing the load of the gradient system. This strategy allows simultaneous encoding of multiple frequency waves, which allows a better tissue characterization. In addition, an undersampling method that does not respect Shannon's theorem is proposed to be able to encode multiple frequency components without requiring additional examination time. Experiments conducted on phantoms to compare conventional single-frequency MRE with the proposed simultaneous multi-frequency MRE method have shown excellent agreement in viscoelastic parameters. The second part of this thesis focuses on the application of optimal control theory (OC) to MRE through the design of optimized radio frequency (RF) pulses. These pulses are applied with a constant gradient and have the dual role of motion encoding and spatial selectivity. Since MEGs are no longer required, the signal readout can be performed right after the pulse and the TE is then greatly reduced. In this thesis, this strategy is exploited to prove its strong potential and to extend its application domains. A first study presents the use of OC pulses in a radial UTE (Ultra short Echo Time) sequence for motion encoding on tissues with very short T2. Experiments on phantoms and then on a bovine tendon sample showed that viscoelastic parameters can only be characterized with the OC MRE strategy. Finally, a last study combines the multifrequency aspect with the OC strategy. OC RF pulses were adapted to simultaneous multifrequency MRE and showed its ability to encode multiple frequency pairs in vitro. A good correspondence was found between the viscoelastic parameters obtained with the proposed strategy and with the classical method.
L’Elastographie par Résonance Magnétique (ERM) est une technique d’imagerie non-invasive qui permet de caractériser les propriétés viscoélastiques des tissus biologiques in vivo à partir de l’information de la propagation d’une onde mécanique externe à travers le tissu exploré. Usuellement, une séquence ERM classique encode le mouvement grâce à l’application de gradients de sensibilisation aux mouvements (GSM), qui oscillent à la même fréquence que l’onde mécanique et qui sont placés entre l’excitation et la lecture du signal. Cependant, la présence de ces gradients limite l’utilisation de la technique lorsque l’on veut caractériser des tissus à T2 courts. En effet, leur présence allonge le temps d'écho minimum. Par ailleurs, ce principe d'encodage du mouvement trouve ses limites lorsque l'on s'intéresse aux excitations à haute fréquence en raison des limitations du temps de montée du système de gradients. De plus, l’acquisition de données à multiples fréquences, qui sont très intéressantes car elles permettent une caractérisation mécanique plus détaillée, se fait habituellement à travers de répétitions d’acquisitions monofréquence à différentes fréquences. Par conséquence, le temps d’examen nécessaire devient très long. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif de repousser ces limitations en proposant des stratégies d’acquisition multifréquence ainsi que d’encodage du mouvement innovantes. La première partie de cette thèse présente une stratégie pour l’encodage simultané de mouvements à haute et basse fréquence. En utilisant les harmoniques impairs des GSM trapézoïdaux, il est possible d'augmenter de manière significative la fréquence des ondes de cisaillement utilisées en ERM sans augmenter la charge du système de gradients. Cette stratégie permet l’encodage simultané d’ondes à multiples fréquences, ce qui permet une meilleure caractérisation des tissus. De plus, une méthode de sous-échantillonnage ne respectant pas le théorème de Shannon est proposée pour pouvoir encoder plusieurs composantes fréquentielles sans nécessiter de temps d'examen supplémentaire. Les expériences menées sur des fantômes pour comparer l'ERM monofréquence classique avec la méthode proposée d’ERM multifréquence simultanée ont montré une excellente concordance des paramètres viscoélastiques. La seconde partie de cette thèse s’intéresse à l’application de la théorie du contrôle optimal (CO) à l’ERM à travers la conception d’impulsions radiofréquence (RF) optimisées. Ces impulsions sont appliquées avec un gradient constant et ont le double rôle d’encodage du mouvement et de sélectivité spatiale. Comme les GSM ne sont plus nécessaires, la lecture du signal peut être réalisée juste après l’impulsion et le temps d’écho (TE) est alors fortement réduit. Dans cette thèse, cette stratégie est exploitée pour prouver son fort potentiel et élargir ses domaines d’application. Une première étude présente l’utilisation d’impulsions CO dans une séquence radiale UTE (Ultra short Echo Time) pour l’encodage du mouvement sur des tissus ayant des T2 très courts. Des expériences sur des fantômes et ensuite sur un échantillon de tendon bovin ont montré que les paramètres viscoélastiques ne peuvent être caractérisés qu’avec la stratégie d’ERM par CO. Finalement, une dernière étude combine l’aspect multifréquence avec la stratégie CO. Des impulsions RF CO ont été adaptées à l’ERM multifréquence simultanée et ont montré sa capacité d’encoder plusieurs paires de fréquences in vitro. Une bonne correspondance a été observée entre les paramètres viscoélastiques obtenus avec la stratégie proposée et avec la méthode classique.
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Dates et versions

tel-03648958 , version 1 (22-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03648958 , version 1

Citer

Pilar Sango Solanas. Elastographie par Résonance Magnétique : Contrôle optimal pour l’encodage du mouvement à temps d’écho court et acquisitions multifréquence simultanée. Imagerie. Université de Lyon, 2021. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03648958⟩
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