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Thèse Année : 2024

3D MR Spirometry

Spirométrie 3D par résonance magnétique

Résumé

Ventilation is a complex function, with unpredictable natural intra- and inter-individual variabilities, sometimes heterogeneous in lung volume. Standard spirometry is the reference exam to assess the ventilatory function from flow-volume loops measured at the mouth during forced expiration. This simple and reliable technique is limited by the necessary cooperation of the patient, as well as by the global nature of its measurement. Since breathing is inherently a three-dimensional phenomenon and lung diseases are generally regional, ventilation should be probed locally.Despite the inherent difficulties in applying MRI to the lung, recent advancements have revealed the potential of functional pulmonary MRI from easily translatable standard acquisitions in clinical settings. Over the past fifteen years, developments have evaluated ventilation based on MRI signal variation during respiration. These techniques rely on a strong assumption of linearity of the MRI signal with lung tissue density. A new method evaluating ventilation locally and dynamically from deformations has been developed: 3D spirometry by MRI. From an average respiratory cycle, the deformation Jacobian and its temporal derivative allow inference of local flow-volume curves. This thesis aims to validate 3D spirometry by MRI, bring it into clinical research, and deepen the understanding of ventilatory mechanics.The multidimensional nature of 3D spirometry by MRI integrates the complexity of respiratory function, but the new technique must still be developed and tested. Methodological developments undertaken during this thesis include optimized reconstruction of pulmonary dynamics, precise segmentation of lobar structures, definition of quantitative biomarkers, as well as normalization of functional maps to enable intra- and inter-subject comparisons. A prospective study on 25 volunteers (10 females, 45 ± 17 years old) breathing freely was conducted, with repeated acquisitions in the supine position. The reliability of the technique was approached by two criteria: its repeatability and accuracy. Measures of local tidal volumes integrated over the lung volume agreed to the measured lung volumes from segmentation. Excellent overall repeatability was found, with residual variability induced by that intrinsic to respiration.The sensitivity of 3D MR spirometry was first studied in 25 healthy volunteers in lying supine and prone positions. Functional maps highlight a gradient of ventilation toward the more gravity-dependent regions, demonstrating the sensitivity of the technique to physiology. Functional atlases were established from normalized individual maps, revealing reproducible nominal patterns of pulmonary ventilation across the volunteer cohort. Spatial distributions highlight the heterogeneity of ventilation during free breathing.Finally, the sensitivity of 3D MR spirometry to obstructive and restrictive pathologies is evaluated through several case studies of neuromuscular diseases, long COVID-19, asthma, and chronic obstructive pulmonary disease (COPD). These studies emphasize the importance of characterizing breathing patterns with contributions from respiratory muscles. Reversibility of asthma with bronchodilator administration was found, with a marked increase in flow rates after bronchodilators. A longitudinal study on a case of severe asthma also demonstrated the effectiveness of biotherapy in improving ventilatory function and reducing residual volume and obstruction.
La ventilation est une fonction complexe, avec des variabilités naturelles intra- et inter-individuelles imprévisibles, parfois inhomogènes dans le volume pulmonaire. La spirométrie standard est l'examen de référence pour évaluer la fonction ventilatoire à partir de courbes débit-volume mesurées à la bouche et en respiration forcée. Cette technique simple et fiable est limité par la nécessaire coopération du patient, ainsi que par la nature globale de sa mesure. Étant donné que la respiration est intrinsèquement un phénomène tridimensionnel et que les maladies pulmonaires sont généralement régionales, la ventilation devrait être sondée localement. Malgré les difficultés inhérentes à l'application de l'IRM au poumon, de récent progrès ont permis de révéler le potentiel de l'IRM fonctionnelle pulmonaire à partir d'acquisitions standards facilement transposables en clinique. Depuis une quinzaine d'années des développements évaluent la ventilation à partir de la variation du signal IRM au cours de la respiration. Ces techniques reposent sur une hypothèse forte de linéarité du signal IRM avec la densité de tissus pulmonaire. Une nouvelle méthode évaluant la ventilation localement et dynamiquement à partir des déformations a été développée : la spirométrie 3D par IRM. A partir d'un cycle respiratoire moyen, le Jacobien des déformations et sa dérivée temporelle permettent d'inférer les courbes débit-volume locales. Cette thèse s'attache à valider la spirométrie 3D par IRM, à l'amener à la recherche clinique, et à approfondir la compréhension de la mécanique ventilatoire. Le caractère multidimensionnel de la spirométrie 3D par IRM intègre la complexité de la fonction respiratoire mais la technique encore neuve doit être développée et éprouvée. Les évolutions méthodologiques entreprises durant cette thèse incluent une reconstruction optimisée de la dynamique pulmonaire, une segmentation précise des structures lobaires, la définition de biomarqueurs quantitatifs, ainsi qu'une normalisation des cartes fonctionnelles pour permettre des comparaison intra- et inter-sujets. Une étude prospective sur 25 volontaires (10 femmes, 45 ± 17 ans) respirant librement a été menée, avec des acquisitions répétées en position allongée. La fiabilité de la technique a été approchée selon deux critères : sa répétabilité et son exactitude. Les mesures de volumes courants locaux intégrés sur le volume pulmonaire correspondent à ce qui peut être mesuré par segmentation des volumes pulmonaires. Une excellente répétabilité globale a été trouvée, avec une variabilité résiduelle induite par celle intrinsèque à la respiration.La sensibilité de la spirométrie 3D par IRM a été d'abord étudiée sur 25 volontaires sains en position allongée sur le dos puis sur le ventre. Les cartes fonctionnelles mettent en évidence un gradient de ventilation vers les régions les plus dépendantes à la gravité, démontrant la sensibilité de la technique à la physiologie. Des atlas fonctionnels ont été établis à partir des cartes individuelles normalisées, révélant les motifs nominaux de la ventilation pulmonaire reproductibles sur la cohorte de volontaire. Les distributions spatiales mettent en évidence l'inhomogénéité de la ventilation en respiration libre.Enfin, la sensibilité de la spirométrie 3D aux pathologies obstructives et restrictives est évaluée à travers plusieurs études de cas de maladies neuromusculaires, COVID-19 longue durée, asthme et bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO). Ces recherches soulignent l'importance de caractériser les modes de respiration avec les contributions des muscles respiratoires. La réversibilité de l'asthme à l'administration d'un bronchodilatateur a été trouvé, avec une augmentation marquée des débits après bronchodilatateurs. Une étude longitudinale sur un cas d'asthme sévère a aussi mis en évidence l'efficacité de la biothérapie pour améliorer la fonction ventilatoire, réduisant le volume résiduel ainsi que l'obstruction.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04663088 , version 1 (26-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04663088 , version 1

Citer

Nathalie Barrau. 3D MR Spirometry. Signal and Image processing. Université Paris-Saclay, 2024. English. ⟨NNT : 2024UPAST077⟩. ⟨tel-04663088⟩
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