FUNCTIONAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING OF THE KIDNEYS AS A TOOL TO ASSESS KIDNEY FUNCTION AND PREDICT KIDNEY FUNCTION DECLINE

Le projet de doctorat présenté dans cette thèse est constitué de trois sous-projets, tous impliquant l'Imagerie par Résonance Magnétique nucléaire (IRM) chez l'humain et tous en relation avec la fonction rénal. Les reins extraient (filtrent] des métabolites et des produits toxiques de la circulation. Chez l'adulte sains, ~100-120 ml/min de plasma sont filtrés par les glomérules. Lorsque que le dit Débit de Filtration Glomérulaire estimé [DFGe) est en dessous de 60 ml/min/1.73 m2, ou lorsque de l'albumine est perdue dans l'urine (>30mg/jour) à cause de glomérules endommagée pendant au moins 3 mois, la personne concernée souffre par définition d'Insuffisance Rénale Chronique (IRC). Malgré le fait que l'IRC est devenu un problème de santé publique majeur avec une prévalence global d'environ 10%, sa pathophysiologie reste incomplètement comprise. De plus, la prédiction de manière précise du déclin rénal ainsi que d'événements adverses reste impossible. Une des causes de cette lacune est l'absence de méthode de mesure précise in vivo pour l'humain. Le but principal de ce projet de doctorat était d'évaluer si l'IRM fonctionnel permettait d'améliorer la compréhension de la physiologie rénale et de gagner de l'information sur l'apparition et la progression de l'IRC afin de mieux prédire sont évolution a long terme. Les trois sous-projets ont impliqué trois techniques différentes utilisées dans l'imagerie par résonance magnétique, ces techniques étant susceptibles de gagner de l'information sur l'oxygénation rénale, la perfusion rénale et la régulation du sodium respectivement. Le but du premier sous-projet fut le développement d'une nouvelle technique semi- automatique pour l'analyse d'image de reins obtenue par l'IRM BOLD (de l'anglais Blood Oxygénation Level Dépendent) et de l'application de cette technique aux images BOLD de 225 patients et volontaires dans le cadre d'une étude clinique. La variabilité inter¬observateur de cette technique s'est avérée basse et son application dans l'étude clinique à révélée qu'une haute valeur R2* (correspondant à une basse oxygénation des tissus) dans le cortex rénal prédisait un déclin de la fonction rénale. Le deuxième sous-projet consista en l'implémentation et l'amélioration du protocole IRM pour la mesure de la Fraction de Perfusion (FP) dans les reins à l'aide de l'IRM de diffusion et du model IVIM (de l'anglais Intravoxel Incohérent Motion). Il s'est avéré que les résultats fourni par cette technique étaient plus vraisemblables si l'acquisition des images pondérées en diffusion était déclenchée au moment ou le sang avait une vitesse maximale dans les reins. Le troisième sous-projet consista en l'élaboration d'un dispositif expérimental et du post processing permettant la quantification de la concentration de sodium dans les muscles de la cuisse à l'aide de l'IRM au sodium. Deux dispositifs différents, comportant deux séquences IRM différentes, ont été testés. -- The PhD project presented in this thesis consists of three subprojects, ail involved in nuclear Magnetic Resonance Imaging (MRI) of humans and in relation with the kidney function. The kidneys remove ("filter") metabolites and toxic products from the circulation. In healthy adults, ~100-120 ml/min of plasma is filtered by the glomeruli. When the so called estimated Glomerular Filtration Rate (eGFR) is less than 60 ml/min/1.73 m2, or when albumin is lost in the urine (>30mg/day) due to damaged glomeruli for at least three months, a person suffers by définition from Chronic Kidney Disease (CKD). Despite the fact that CKD has become a major public health problem with a global prevalence around 10%, its pathophysiology is incompletely understood. Moreover, accurately predicting rénal function décliné and adverse outcome is still not possible. One of the reasons is the absence of précisé in vivo measurement methods for humans. The main aim of this PhD project was to assess whether functional MRI allows to increase the understanding of kidney physiology and to gain information on the development and progression of CKD in order to better predict its outcome. The three subprojects focus on three différent MRI related techniques susceptible to gain information on respectively kidney oxygénation, perfusion and sodium handling. The first subproject consisted in the development of a new semi-automatic post processing technique for the analysis of so called "Blood Oxygénation Level Dépendent MRI" (BOLD MRI) of kidneys and in the application of this technique in a clinical study involving 225 patients and volunteers. The inter observer variability of this new analysis method was low, and its applications in the clinical study revealed that the presence of high cortical R2* values [corresponding to low tissue oxygénation) predicts rénal function décliné. The second subproject consisted in integrating and improving existing MRI protocols for the measurement of the Perfusion Fraction (PF) in kidneys by the mean of diffusion MRI and the Intravoxel Incohérent Motion (IVIM) model. It was found that the Diffusion Weighted Images (DWI's) should be acquired at the instant of maximal blood velocity in kidneys for the measurement of the perfusion fraction. The third subproject consisted in setting up an experimental environment and the post processing for the quantification of sodium in the leg muscle with the help of sodium MRI. Two différent set ups, including two différent MRI sequences, were tested