Methodological development in cardio-thoracic MRI in small animals

L’Imagerie cardio-thoracique par Résonance Magnétique est encore aujourd’hui un véritable défi. La difficulté réside dans la nécessité d’acquérir des images avec de fortes résolutions spatiales et temporelles sur des zones en mouvement, et ce, en un temps limité. Dans le but de s’affranchir des mouvements cardio-respiratoires, la solution la plus communément employée consiste à ne pas acquérir de données pendant l’inspiration et l’expiration ou à les écarter. Cette solution est aujourd’hui la plus communément appliquée, mais elle entraine une augmentation significative du temps d’acquisition total (jusqu’à 50%). Au vu de ces principales limitations, le travail mené au cours de cette thèse possède un objectif général : réduire les temps d’acquisition d’images cardio-thoraciques chez le petit animal et améliorer leur qualité (précision, contraste et résolution). Des séquences IRM radiale et à temps d’écho ultra-court (UTE) ainsi que des algorithmes de reconstruction ont été développés, pour obtenir des images cardio-thoraciques en 4D (3D-temporel) dans des temps d’acquisition court.Ce travail de recherche a été structuré autour de deux axes principaux.I - Développer une méthode d’interpolation des données cardiaques pendant les intervalles de mouvement respiratoire. Pour la première fois sur le petit animal, l’impact du mouvement respiratoire de la souris sur la position de son cœur a été précisément analysé. Un algorithme a ensuite été développé afin d’interpoler les données cardiaques pendant les intervalles de respiration. De manière novatrice, la reconstruction d’images cardiaques en fonction des battements du cœur utilisant la totalité des données acquises a été rendue possible. Ce protocole, intégré à la séquence UTE, a été testé, validé et comparé aux méthodes standards sur des souris saines puis il a été appliqué sur des pathologies cardio-pulmonaires à travers différentes collaborations. En conclusion, des images 4D du cœur battant de souris ont pu être acquises en 1’45 avec de fortes résolutions spatiale et temporelle (176m isotropique et 5ms / image), permettant de mesurer les paramètres cardiaques nécessaires à la détection, l’analyse ainsi que le suivi de différentes pathologies.II – Réduire le temps d’acquisition de l’imagerie cardio-thoracique 4D et améliorer son contraste : Application à l’angiographie pulmonaire. Une séquence Radiale 3D avec auto-synchronisation des mouvements a été développée avec les mêmes paramètres que l’UTE, afin de réduire davantage son temps d’acquisition. Les deux séquences ont été appliquées sur les poumons afin de reconstruire des angiographies pulmonaires 3D de haute résolution en fonction de la respiration. Une technique de suppression de graisse accélérée a été implémentée et permet d’améliorer le contraste entre les vaisseaux et les bronches, tout en maintenant une durée d’acquisition raisonnable. En conclusion, ces travaux ont permis d’optimiser les séquences UTE et Radiale et d’évaluer leur avantage en angiographie pulmonaire. Les résultats sont prometteurs et ouvrent des perspectives concernant la segmentation et la quantification du réseau vasculaire pulmonaire.En conclusion, les séquences et algorithmes développés au cours de ce projet ont permis de réduire considérablement les temps d’acquisitions d’imagerie cardio-thoracique 4D et ouvrent de ce fait des perspectives pour l’étude de modèles animaux ou pour un transfert en imagerie clinique.Mots clés : IRM ; Cardio-thoracique ; 4D ; Séquence ; DéveloppementCardio-thoracic Magnetic Resonance Imaging is still a real challenge today. The difficulty stands in the need to acquire images with high spatial and temporal resolutions on moving areas, and in a limited time. In order to overcome cardio-respiratory motion, the most common solution is to not acquire data during inhalation and exhalation or to discard them. This solution is the most commonly used today, but it results in a significant increase in the total acquisition time (up to 50%). In view of these main limitations, the work carried out during this PhD training had the objectives to reduce the acquisition times of cardio-thoracic images in small animals and to improve their quality (precision, contrast and resolution). Radial and ultra-short echo time (UTE) MRI sequences as well as reconstruction algorithms were developed to obtain 4D (3D-temporal) cardio-thoracic images in short acquisition times.This research work was structured around two main axes.I - Develop a method of cardiac data interpolation during respiratory movement intervals. For the first time in small animals, the impact of the mouse's respiratory movement on the position of its heart has been precisely analyzed. An algorithm was then developed to interpolate cardiac data during breathing intervals. In a novel way, reconstruction of heart images based on heartbeat using all of the acquired data was made possible. This protocol, integrated into the UTE sequence, was tested, validated and compared to standard methods on healthy mice, then was applied to cardiopulmonary pathologies through various collaborations. In conclusion, 4D images of the mouse beating heart could be acquired in 1min45s with high spatial and temporal resolutions (176m isotropic and 5ms / image), enabling to measure the cardiac parameters necessary for the detection, analysis and monitoring of various pathologies.II - Reducing the acquisition time of 4D cardio-thoracic imaging and improving its contrast: Application to pulmonary angiography. A 3D Radial sequence with auto-synchronization to?/on? movements was developed with the same parameters as the UTE sequence, in order to further reduce acquisition time. The two sequences were applied on the lungs in order to reconstruct high resolution 3D pulmonary angiograms along the respiration. An accelerated fat saturation technique was implemented to improve the contrast between vessels and bronchi, while maintaining a reasonable acquisition time. In conclusion, this work enabled to optimize the UTE and Radial sequences and to evaluate their advantages in pulmonary angiography. The results are promising and open perspectives concerning the segmentation and quantification of the pulmonary vascular network.In conclusion, the sequences and algorithms developed during this project enabled to considerably reduce the acquisition times of 4D cardio-thoracic imaging and therefore open up perspectives for the study of animal models or for a transfer to clinical imaging.Keywords: MRI ; Cardio-thoracic ; 4D ; Sequence ; Developmen