Gradient echo-based quantitative myelin water imaging

Magnetic resonance imaging (MRI) is the preferred imaging modality for the diagnosis of Multiple Sclerosis (MS). However, diagnosis of MS often involves qualitative interpretation of images that, although highly sensitive, are not particularly specific to the underlying pathology. Advanced quantitative MRI methods could greatly benefit the study of both normal myelin development and its pathological degradation in diseases such as MS where it could aid in diagnosis as well as treatment monitoring. The challenge is that the MRI signal from myelin itself decays too quickly for direct detection using conventional imaging methods. An alternative to direct myelin imaging is to image myelin-associated water. This approach is called myelin water imaging (MWI). A number of MRI acquisition techniques have been proposed for MWI, the most thoroughly researched is the Multi-Echo Spin-Echo (MESE) method. Unfortunately, conventional MESE has a long acquisition time (5-10 minutes for 1 slice), severely limiting its clinical applicability. Several alternatives have been proposed, including the Multi-Gradient Recalled-Echo (MGRE) technique. The first goal of this thesis was to improve the performance of the MGRE-based approach to MWI in areas of the brain that experience large field inhomogeneities, where myelin water metrics exhibit significant errors. To address this issue, we developed an algorithm that corrects MGRE data, acquired specifically for the purpose of MWI, for the effects of macroscopic magnetic field inhomogeneities. The second goal was to evaluate the impact of myelin's orientation-dependent magnetic susceptibility on MGRE-based MWI. This was done by simulating realistic white matter signals and then evaluating different fitting models to estimate myelin water. To conclude this work, we compared the MGRE and MESE techniques in the same subject group, to assess whether the two methods are in agreement. Overall, this thesis shows that the MGRE-based technique for MWI is highly promising and time efficient, and could potentially replace MESE-MWI.L'imagerie par resonance magnétique (IRM) est devenue la modalité de choix pour le diagnostic de la sclérose en plaques (SP). Cependant, le diagnostic de la SP implique fréquemment un processus d'interprétation qualitative d'images qui ne sont pas particulièrement spécifique à la pathologie sous-jacente. Or, les méthodes quantitatives avancées d'IRM pourraient grandement bénéficier à l'étude du développement normal de la myéline et de sa dégradation pathologique dans des maladies telles que la SP. Les méthodes quantitatives avancées d'IRM ont le potentiel d'appuyer le diagnostic de la SP ainsi que la surveillance de son traitement. Le défi principal est le suivant: le signal d'IRM de la myéline décroît trop rapidement pour la détection directe effectuée par l'entremise des méthodes classiques d'imagerie. Une technique alternative à l'imagerie directe de myéline consiste à imager l'eau associée à la myéline. Cette technique est appelée imagerie de l'eau de myéline (MWI). Un bon nombre de techniques d'acquisition IRM ont été proposées pour la MWI. Parmis celles-ci, la méthode Multi-Echo Spin-Echo (MESE) est la technique d'acquisition IRM ayant fait l'objet des etudes les plus poussées. Malheureusement, la lenteur du temps d'acquisition de la technique MESE conventionnelle (de 5 à 10 minutes pour une tranche) limite considérablement son applicabilité clinique. Plusieurs alternatives ont été proposées, incluant la technique Multi-Gradient Recalled-Echo. (MGRE)L'objectif premier de la présente these est d'améliorer la performance de la technique d'acquisition MGRE dans le processus d'imagerie MWI effectué sur les regions du cerveau qui connaissent de grandes inhomogénéités de champ, soit là où les métriques d'eau de myéline présentent des erreurs significatives. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un algorithme qui corrige les données MGRE acquises spécifiquement aux fins de MWI, pour les effets des gradients de champ magnétique macroscopique. Le second objectif de la présente thèse est d'évaluer l'impact de la suceptibilité magnétique de la myéline sur la MWF. Cela a été réalisé en simulant de signaux réalistes provenant de la substance blanche du cerveau et, par la suite, en évaluant différents modèles d'ajusement pour estimer l'eau de myéline. Pour conclure ce travail, nous avons comparé les techniques MGRE et MESE dans le même groupe de volontaires afin de determiner si les deux méthodes sont équivalentes ou non.Globalement, la présente thèse montre que la technique basée sur le MGRE dans le processus d'imagerie MWI est très prometteuse, efficace sur le plan du temps, et qu'elle pourrait potentiellement remplacer MESE-MWI