Quantitative cerebral metabolic imaging using sodium and phosphorus nuclear magnetic resonance at 7 Tesla - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Quantitative cerebral metabolic imaging using sodium and phosphorus nuclear magnetic resonance at 7 Tesla

Imagerie métabolique cérébrale quantitative par résonance magnétique nucléaire du sodium et du phosphore à 7 Tesla

Résumé

Magnetic resonance imaging (MRI) allows for the non-invasive study of metabolism in soft tissues. This thesis consists in the development of innovative methods for metabolic cerebral imaging using sodium (²³Na) and phosphorus (³¹P) MRI at ultra-high magnetic field (UHF). These nuclei are of interest because of the central roles of their electrolytes and metabolites in cell physiology and biochemistry. Due to various cellular defects or mitochondrial abnormalities, brain cells can fail to meet energy requirements, which may lead to brain dysfunction and neurodegeneration. The idea is therefore to detect and evaluate the evolution of neurodegenerative diseases using these nuclei and their electrolytes/metabolites as biomarkers of disease progression. Among the different techniques that can be used to probe energy metabolism non-invasively, in vivo ³¹P magnetic resonance spectroscopy (MRS) is one of the most promising for clinical research. While in vivo ³¹P-MRS has been successfully applied to study metabolic syndromes of the musculoskeletal system, its application to the study of neuroenergetics has often been limited by the relatively low concentrations of ATP and PCr in the brain. Recently, ³¹P-MRS has benefited from the advent of UHF clinical MRI scanners promoting the development of various ³¹P magnetic resonance spectroscopic imaging (³¹P-MRSI) approaches. However, the clinical relevance of these ³¹P-MRSI approaches for the study of neurodegenerative diseases remain limited due to their long acquisition time (AT). Thus we have proposed a rapid frequency-selective 3D 31P-MRI sequence capable of measuring two (or more) phosphorylated metabolites typically Adenosine Triphosphate (ATP) and Phosphocreatine (PCr). By adding a module for the selective saturation of γ-ATP, a saturation transfer 31P-MRI protocol is proposed to estimate simultaneously in several cortical areas the concentrations of PCr, ATP and the flux through the creatine kinase (Vck). To account for the radiofrequency field (B⁺₁) inhomogeneities in our quantification pipeline, we generated a B⁺₁ template map from data acquired on an independent cohort of six healthy volunteers. This B⁺₁ template map was then used to estimate the effective excitation and saturation flip angles in the quantification/modelling of our 3D ST ³¹P MRI data. We also developed a variant of this sequence and protocol to study the PME/PDE ratio in the context of our collaboration with the University Hospital of Poitiers. Total tissue sodium concentration (TSC) has been confirmed through several studies as a relevant biomarker of cell viability and metabolic imbalance, particularly in neurological diseases such as Alzheimer's disease and multiple sclerosis. Most of these studies have used ultra-short echo time sequences combined with non-Cartesian deterministic k-space trajectories such as TPI, radial or FLORET. Nevertheless, the TA remains relatively long, even at UHF, due to the moderate intrinsic sensitivity and concentration of sodium. Deterministic trajectories do not exploit the inherent parsimony of k-space to the fullest extent due to their geometric patterns. Therefore, we hypothesized that 23Na MRI could benefit from stochastic compressed sensing (CS) approaches such as SPARKLING that could lead to shorter TA while preserving good image quality. Determining the scenarios of interest is not trivial because CS performance depends on the signal-to-noise ratio and image size. Our contribution consisted in conducting first a theoretical study to find regimes in which the 3D SPARKLING approach outperforms the non-Cartesian 3D trajectories commonly used today using a dedicated brain ²³Na MRI data simulation tool. The CS SPARKLING approach was then applied in vitro and in vivo for validation, demonstrating that in those scenario, it can outperform TPI by preserving image quality with a significantly reduced TA.
L'imagerie par résonance magnétique (IRM) permet l'étude non-invasive du métabolisme des tissus. Cette thèse porte sur le développement de méthodes innovantes pour l'IRM métabolique cérébrale des noyaux sodium (²³Na) et phosphore (³¹P) à ultra-haut champ magnétique (UHF). Ces noyaux sont particulièrement intéressants car ils sont liés aux activités métaboliques. En raison de divers défauts cellulaires ou d'anomalies mitochondriales, les cellules du cerveau peuvent ne pas répondre aux besoins énergétiques, ce qui peut causer un dysfonctionnement du cerveau et une neurodégénérescence. L'objectif est donc de proposer les imageries quantitatives du ³¹P (et de ses métabolites) et du ²³Na à UHF en tant qu'outils pour l'étude de la progression des maladies neurodégénératives. Parmi les techniques disponibles pour sonder le métabolisme énergétique de manière non-invasive, la spectroscopie RMN (SRM) in vivo du ³¹P est l'une des plus prometteuses pour la recherche clinique. Bien que la ³¹P-SRM a été appliquée avec succès pour l'étude de syndromes métaboliques au niveau des muscles, son application au domaine de la neuroénergétique a souvent été limitée par les concentrations relativement faibles d'ATP et de PCr dans le cerveau. Récemment, la ³¹P-SRM a bénéficié de l'arrivée des scanners IRM cliniques à UHF favorisant le développement d'approches d'imagerie spectroscopique (MRSI). Cependant, la pertinence clinique de ces approches MRSI pour l'étude des maladies neurodégénératives est limitée par les temps d'acquisition (TA) longs notamment en ³¹P-MRSI 3D du cerveau entier. Nous avons donc proposé une approche d'IRM ³¹P sélective en fréquence, plus rapide, focalisée sur l'imagerie de deux (ou plus) métabolites phosphorylés typiquement la PCr et l'ATP. Par l'ajout d'un module de saturation sélective du γ-ATP, nous avons évalué un protocole permettant d'estimer simultanément dans divers régions corticales les concentrations absolue d'ATP et de PCr ainsi que le flux à travers la créatine kinase (Vck). Pour ce faire, nous avons développé une correction des inhomogénéités du champ radiofréquence B⁺₁. Nous avons calculé une carte moyenne de l'angle de bascule (FA) sur la base d'acquisitions chez une cohorte indépendante de 6 volontaires sains. Nous avons ainsi pu estimer et prendre en compte les FA d'excitation et de saturation effectifs dans notre quantification des concentrations en ATP et PCr et de Vck. Nous avons aussi développé une variante de ce protocole pour étudier le rapport PME/PDE dans le cadre d'une collaboration clinique avec le CHU de Poitiers. La concentration totale en sodium tissulaire (TSC) a démontré à travers plusieurs études sa pertinence en tant que biomarqueur de viabilité cellulaire en particulier dans les maladies d'Alzheimer ou la sclérose en plaques. Les études actuelles utilisent des séquences à temps d'écho ultra-court combinées à des trajectoires déterministes non-cartésiennes à travers l'espace k. Néanmoins, le TA reste relativement long, même à UHF, en raison de la sensibilité intrinsèque et des concentrations modérées du ²³Na. Les trajectoires déterministes n'exploitent pas au mieux la parcimonie de l'espace k en raison de leurs motifs géométriques. Par conséquent, nous avons proposé d'évaluer une approche stochastique d'encodage de l'espace k, SPARKLING, dans le contexte de l'IRM ²³Na cérébrale sous-échantillonnée. Dans des régimes favorables (dépendant du rapport signal/bruit et de la taille des images) que nous avons déterminés à travers une étude théorique basée sur un outil de simulation dédié, cette approche permet de réduire drastiquement les TA tout en préservant les détails anatomiques et le caractère quantitatif des cartes de TSC, surpassant les trajectoires 3D non-cartésiennes couramment utilisées (TPI et Radial). Nous avons notamment validé in vitro et in vivo l'approche SPARKLING dans certains de ces scénarios, observant une qualité d'image similaire à celle de la TPI en dépit d'un TA moindre.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03859419 , version 1 (18-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03859419 , version 1

Citer

Renata Porciuncula Baptista. Quantitative cerebral metabolic imaging using sodium and phosphorus nuclear magnetic resonance at 7 Tesla. Signal and Image Processing. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPAST123⟩. ⟨tel-03859419⟩
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