Advanced magnetic resonance imaging approaches for a non- invasive and comprehensive assessment of coronary artery disease progression

Cardiovascular disease is the leading cause of death in the Western world. In this context, coronary artery disease (CAD) accounts for almost 50% of deaths. CAD is a very heterogeneous disease and early stages include endothelial dysfunction and positive arterial remodeling of the vessel wall. Later stages such as luminal narrowing, plaque rupture and occlusion often follow and the conséquence is myocardial infarction. Magnetic resonance imaging (MRI) is a promising technique for the diagnosis and monitoring of CAD as it theoretically allows the characterization of CAD at différent stages. Since it is safe and can easily be repeated, it may also be exploited to guide and monitor therapy aimed at the réduction of atherosclerotic burden. During the course of this thesis, I have made a deliberate effort to develop multiple MRI approaches that specifically target these différent stages of disease progression and that may later also be used to ascertain the effects of therapeutic interventions. The chapters of this thesis are therefore organized according to the temporal progression of atherosclerosis, and corresponding technical concepts are introduced. Taken together, these developments may enable a comprehensive assessment of coronary atherosclerosis. In Chapter 1, a général introduction about state of the art solution for evaluating endothelial dysfunction, positive remodeling of the vessel wall, luminal narrowing, and extension of myocardial scars with MR is provided. In the following Chapters, advanced techniques for the assessment of CAD progression are proposed. Chapter 2 describes a new framework for coronary endothelial function assessment with isometric handgrip exercise which introduces a more patient-friendly setup and does not require external ECG triggering for data acquisition. In Chapter 3, an innovative acquisition and reconstruction scheme for coronary vessel wall visualization is presented. This new approach alleviates sophisticated sequence timing requirements associated with more conventional vessel wall MRI and improves image quality with respect to the MR référencé standard, Chapter 4 présents three studies aiming at improving three-dimensional visualization of the coronary vessel lumen. The first proposed study was performed in healthy adult volunteers and identifies end- expiration as the preferred reference level for performing self-navigated respiratory motion correction. The second proposed demonstrates that these findings cannot easily be extended to patient populations. To address this problem in patients, an iterative approach to respiratory self-navigation is proposed, which operates without the need of a spécifié reference level to perform motion correction. Such approach provided improved image quality in a cohort of cardiovascular patients. As iterative self-navigation operates without requiring a pre-defined reference level, and as described in the third project presented in Chapter 4, it also showed to be a advantageous choice for performing respiratory motion correction in contrast enhanced angiography; in fact, and as reported in the study, signal variations introduced by contrast injection is prohibitive for self navigation. However, iterative self-navigation provided a powerful solution that led to successful data acquisition and significantly improved image quality in a cohort of 20 cardiovascular patients. Finally, Chapter 5 présents a new approach for 3D visualization of myocardial scars in infracted patients. Respiratory self-navigation was integrated to 3D phase sensitive inversion recovery (PSIR) acquisitions by using iterative self-navigation. As 3D PSIR also introduces transient signal variations in the collected data, iterative self-navigation showed to be an advantageous choice with that respect. The proposed framework was validated in a cohort of infract patients and showed to provide effective motion suppression leading to 3D diagnostic visualization of myocardial scars. While technical developments were at the center of this thesis, interdisciplinary and translational collaborations with médical colleagues have already led to the application of these techniques in CAD patients, heart transplant recipients, and pédiatrie patients with diabetes. Chapter 6 provides a summary of the results obtained during this thesis and future directions are discussed as an outlook. -- Les maladies cardiovasculaires sont les principales causes de décès dans les pays occidentaux. Parmi celles-ci, l'athérosclérose, ou maladie coronarienne, est responsable de presque 50 % des décès. L'athérosclérose est une maladie très hétérogène, dont la première étape inclut une dysfonction endothéliale et un remodelage positif de la paroi artérielle. Par la suite, un rétrécissement du vaisseau, une rupture de la plaque, ou encore une occlusion peuvent apparaître et entraîner en conséquence un infarctus du myocarde. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique prometteuse pour le diagnostic et le suivi de l'athérosclérose aux différents stades. Cette méthode étant sûre et aisément reproduite, elle peut aussi être utilisée pour guider et suivre l'effet des traitements utilisés pour réduire les symptômes de la maladie. Tout au long de cette thèse, j'ai mis l'accent sur le développement de multiples techniques d'IRM qui avaient pour but l'observation des différentes étapes de progression de la maladie, et qui pourraient être par la suite exploitées pour quantifier l'effet des traitements. Les chapitres de cette thèse sont donc organisés selon la progression temporelle de l'athérosclérose, et les concepts techniques correspondants seront expliqués. L'ensemble de ces développements pourrait ainsi permettre une quantification complète de la maladie coronarienne. Le Chapitre 1 fournit une introduction générale de l'état de l'art des techniques d'IRM pour l'évaluation de la dysfonction endothéliale, du remodelage positif de la paroi artérielle, du rétrécissement du vaisseau, et des cicatrices du myocarde. Dans les chapitres suivants, des techniques plus complexes sont proposées pour le suivi de la progression de l'athérosclérose. Le Chapitre 2 décrit un nouveau système pour l'évaluation de la fonction endothéliale, comprenant un exercice avec un « handgrip » isométrique, dont la mise en place est plus agréable pour le patient et qui ne nécessite pas l'utilisation d'un déclenchement par ECG pour l'acquisition des données. Dans le Chapitre 3, un système innovant d'acquisition et de reconstruction pour la visualisation de la paroi coronarienne est présenté. Cette nouvelle approche permet de s'affranchir des calculs complexes de timing nécessaires pour les techniques conventionnelles de visualisation de la paroi des vaisseaux en IRM. De plus, cette innovation permet d'améliorer la qualité des images par rapport au standard de référence en IRM. Le Chapitre 4 présente trois études ayant pour but l'amélioration de la visualisation en trois dimensions de la lumière des coronaires. La première étude a été effectuée chez des volontaires adultes sains, et identifie la fin d'expiration comme le niveau de référence le plus efficace pour effectuer une correction du mouvement par auto-navigation. La seconde étude démontre que ces résultats ne peuvent pas être aisément appliqués à une population de patients. Pour adresser ce problème chez les patients, une approche itérative de l'auto- navigation respiratoire est proposée, qui opère sans avoir besoin d'une référence spécifique pour effectuer la correction du mouvement. Cette approche a amélioré la qualité des images dans une cohorte de patients atteints de maladies cardiovasculaires. Puisque l'auto-navigation itérative opère sans nécessiter de référence prédéfinie, et comme cela est décrit dans le troisième projet du Chapitre 4, cette technique a prouvé être un choix avantageux pour la correction du mouvement respiratoire appliquée à l'angiographie avec injection de produit de contraste. Il s'avère en effet que les variations de signal produites par le produit de contraste représentent un obstacle pour l'auto-navigation. Toutefois, l'auto-navigation itérative est une solution efficace qui a permis d'acquérir et d'améliorer de façon significative la qualité des images dans une cohorte de 20 patients atteints de maladies cardiovasculaires. Enfin, le Chapitre 5 présente une nouvelle approche pour la visualisation en 3D des cicatrices du myocarde chez les patients ayant souffert d'un infarctus. L'auto-navigation respiratoire a été intégrée aux acquisitions 3D d'inversion-récupération sensible à la phase (3D PSIR) en utilisant l'auto-navigation itérative. L'auto-navigation itérative s'est révélée être un choix judicieux au vu des variations transitoires de signal introduites par la technique 3D PSIR dans les images. Le système proposé a été validé dans un groupe de patients ayant souffert d'infarctus et a prouvé pouvoir fournir une bonne correction du mouvement pour obtenir une visualisation en 3D des cicatrices du myocarde permettant le diagnostic. Bien que les développements techniques aient été au centre de cette thèse, des collaborations interdisciplinaires avec des médecins ont déjà permis l'application de ces techniques chez des patients souffrant d'athérosclérose, des transplantés cardiaques, et des patients pédiatriques atteints de diabète. Le Chapitre 6 fournit un résumé des résultats obtenus durant cette thèse et une discussion des futures améliorations