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Thèse Année : 2019

Multiple contrast-bolus injection strategy for the quantification of hepatic tumor perfusion by DCE-MRI : a rabbit study

Stratégie d'injection multiple de bolus de produit de contraste pour l'optimisation de la quantification de la perfusion tumorale hépatique par DCE-IRM : étude chez le lapin

Sofia Veneti
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1189687
  • IdRef : 24890776X

Résumé

Introduction : Hepatic tumors represent a major burden in medical practice, and imaging techniques play a pivotal role in their detection and diagnosis. Dynamic contrast-enhanced MRI (DCE-MRI) is increasingly proposed to evaluate cancer perfusion, along with DCE-CT and DCE-US. DCE-MRI, however, suffers from low temporal resolution, low signal to noise ratio (SNR), motion artifacts, and it is especially limited by the non-linearity of the relationship between signal and contrast-agent (CA) concentration. Moreover, in the liver, dual-input kinetic models are required, as the portal input function (PIF) has to be considered in addition to the arterial input function (AIF). Such dual-input kinetic models are especially demanding in terms of temporal resolution and tissue enhancement. In this work, to overcome many of the limitations, we propose to use an original strategy based on a multi-bolus injection of diluted CA. The goal is to avoid the saturation effect of high concentration of CA while compensating for the consequent loss of "enhancement to noise ratio" (E/N) by increasing the number of bolus injections. Besides, it has the advantage of being more robust to an unexpected event such as motion during a single bolus injection. This strategy has been tested on simulation data and rabbits bearing liver tumors pre- and post-embolization. Materials and Methods : 1. Simulation Study : A computer simulation was developed using real arterial input function (AIF) and portal input function (PIF) obtained on rabbit with a 4.7T MRI scanner applying single- and multi bolus injection schemes. Liver enhancement curves were simulated with a dual-input model by varying the perfusion parameter values (Hepatic Perfusion Indexes -HPI, total hepatic blood flow -Ft, and distribution volume fractions -vd) and noise has been added. Then, a deconvolution was applied to estimate back the parameters. The estimated and the initial parameters were compared and evaluated by the Coefficient of Variation (CV) of their differences. 2. In vivo analysis : VX2 tumors have been implanted in the liver of 10 rabbits. Transcatheter arterial embolization (TAE) was used to treat these tumors. DCE-MRI pre- and post-embolization were obtained with four boluses of 1/25 diluted Gd-DOTA. The injection volume was 4ml per bolus and the injection rate was 3ml per sec. The perfusion parameters of the liver and the tumors have been extracted by dual input single- and two-compartment models and compared with each other pre- and post-embolization. Results : 1. Simulation Data : The respective improvement factors in the 4-bolus injection were 47.9% (P<2*10-5), 35.7% (P<2*10-5), and 65.9% (P<2*10-5). 2. In vivo analysis : Pre-embolisation, Ft of liver and tumor border were higher than of tumor core. The vd and area under the curve (AUC) of the liver were higher than in tumor core but lower than in tumor border. Post-embolisation, Ft and vd of the liver remained constant, while both Ft and vd of tumor border were decreased compared to pre-embolisation. HPI of post-embolization of the poorly vascularized tumor core was not measurable as its enhancement curves are close to the noise level. Conclusion : The multi-bolus injection strategy opens up new prospects in quantitative DCE-MRI. This study shows that multi-bolus injections with diluted bolus improve the robustness of DCE measurements by making the acquisition less sensitive to bias or unexpected movements while allowing an acquisition in the quasi-linearity zone of the relation between CA and signal. It has the drawback of not providing the classical images obtained at the arterial, portal, and late phases. However, this may be the trade-off to obtain a better quantitative measurement. Moreover, it may be envisioned to provide synthetic images with the standard phases.
Introduction : Les tumeurs hépatiques représentent un problème fréquent. Les techniques d'imagerie jouent un rôle central dans leur détection et leur diagnostic. L'IRM dynamique avec injection de produit de contraste (DCE-IRM) est de plus en plus proposée pour évaluer la perfusion des cancers. Mais elle souffre d'une faible résolution temporelle, d'un faible rapport signal / bruit (SNR), d'artefacts de mouvements, et elle est particulièrement limitée par la non-linéarité de la relation signal-concentration d'agent de contraste (AC). De plus, dans le foie, des modèles cinétiques à double entrée sont nécessaires, car la fonction d'entrée portale (PIF) doit être prise en compte en plus de la fonction d'entrée artérielle (AIF). Ces modèles sont techniquement particulièrement exigeants. Nous proposons d'utiliser une stratégie originale basée sur une injection multi-bolus d'AC dilué. L'objectif est d'éviter les effets de saturation des concentrations élevées, tout en compensant la chute du «rapport rehaussement/bruit» en augmentant le nombre de bolus. En outre, elle présente l'avantage d'être plus robuste face à un événement imprévu, tel qu'un mouvement lors de l'injection d'un bolus unique. Cette stratégie a été testée sur des données de simulation et chez des lapins porteurs de tumeurs avant et après embolisation. Matériel et méthodes : Simulation : Une simulation a été développée à l'aide d'une AIF et d'une PIF réelles obtenues chez un lapin à 4,7T en appliquant des schémas d'injection en bolus unique et multiples. Les courbes de rehaussement tissulaire hépatique ont été simulées avec un modèle à double entrée en faisant varier les valeurs des paramètres de perfusion (index de perfusion hépatique -HPI, débit sanguin hépatique total -Ft et fractions de volume de distribution -vd) ; puis du bruit a été ajouté. Ensuite, une déconvolution a été appliquée pour estimer les paramètres. Les paramètres estimés et initiaux ont été comparés et évalués par le coefficient de variation (CV) de leurs différences. In vivo : Des tumeurs VX2 ont été implantées dans le foie de 10 lapins. Une embolisation artérielle transcathéter (TAE) a été utilisée pour traiter ces tumeurs. La DCE-MRI pré et post-embolisation a été obtenue avec quatre bolus de Gd-DOTA dilués au 1/25. Le volume d'injection était de 4 ml par bolus et le débit d'injection était de 3 ml par seconde. Les paramètres de perfusion du foie et des tumeurs ont été extraits par des modèles à deux entrées à un et deux compartiments et comparés les uns aux autres avant et après l'embolisation. Résultats : Simulation : Pour HPI, Ft et vd, les facteurs d'amélioration de l'injection en 4 bolus par rapport à l'injection simple bolus étaient de 47,9% (P <2 * 10-5 ), 35,7% (P <2 * 10-5) et 65,9% (P <2 * 10-5). In vivo : Avant embolisation, le Ft du foie et de la périphérie tumorale étaient plus élevés que ceux du centre de la tumeur. Le vd et l'aire sous la courbe (AUC) du foie étaient plus élevés que dans le centre tumoral, mais inférieures à ceux de la périphérie tumorale. Après l'embolisation, Ft et vd du foie restaient inchangés, tandis que Ft et vd du bord de la tumeur étaient diminués. On notait que l'HPI post-embolisation des centres des tumeurs, mal vascularisés, n'étaient pas mesurables car leurs rehaussements étaient proches du niveau de bruit. Conclusion : La stratégie multi-bolus ouvre de nouvelles perspectives en DCE-IRM quantitatif. Elle améliore la robustesse des mesures de DCE-IRM en rendant l'acquisition moins sensible aux mouvements inopinés, tout en permettant une acquisition dans la zone de quasi-linéarité de la relation signal concentration d'agent de contraste. Elle a néanmoins pour inconvénient de ne pas fournir les images aux phases artérielle, portale et tardive. Cela peut être le prix à payer pour obtenir une meilleure mesure quantitative. De plus, il est possible de reconstruire a posteriori des images synthétiques des phases standard.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03860687 , version 1 (18-11-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03860687 , version 1

Citer

Sofia Veneti. Multiple contrast-bolus injection strategy for the quantification of hepatic tumor perfusion by DCE-MRI : a rabbit study. Medical Imaging. Université Paris Cité, 2019. English. ⟨NNT : 2019UNIP5065⟩. ⟨tel-03860687⟩

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