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U 2 R M Soutenance de Thèse Alexandre VIGNAUD Orsay, mardi 14 octobre 2003 Influence de lintensité du champ magnétique sur limagerie RMN des poumons à

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Présentation au sujet: "U 2 R M Soutenance de Thèse Alexandre VIGNAUD Orsay, mardi 14 octobre 2003 Influence de lintensité du champ magnétique sur limagerie RMN des poumons à"— Transcription de la présentation:

1 U 2 R M Soutenance de Thèse Alexandre VIGNAUD Orsay, mardi 14 octobre 2003 Influence de lintensité du champ magnétique sur limagerie RMN des poumons à laide dhélium-3 hyperpolarisé

2 Les techniques de diagnostic disponibles Introduction Maladies pulmonaires obstructives chroniques diagnostic tardif 4 eme cause de mortalité en Europe radiographie du thorax, scanner à rayon X, scintigraphie, IRM du proton, tests fonctionnels

3 Une nouvelle méthode : IRM des gaz hyperpolarisés - Image de haute résolution - Carte de ventilation temps réel 1 - Carte physiologique : pO 2 2, variation de taille alvéolaire 3 (ADC) 1 Salerno et al. MRM 46 p (2001); U2R2M-Mainz University 2002 Méthode prometteuse Images de la cavité pulmonaire 2 Deninger et al. MRM 47 p (2002); 3 Saam et al. MRM 44 p (2000)

4 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisé - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP Le temps de relaxation longitudinale T 1 Lexcitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences dimagerie

5 B0B0 M Pompage Optique Etat hors équilibre instable Retour à léquilibre thermodynamique T s in vivo Le temps de relaxation longitudinale T 1 0 = B 0

6 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisé - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP Le temps de relaxation longitudinale T 1 Lexcitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences dimagerie

7 Lexcitation radiofréquence RF temps Signal temps Signal Pour une polarisation Boltzmann: Pour une polarisation obtenue par pompage optique: Pas de régénération de laimantation RF

8 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisé - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP Le temps de relaxation longitudinale T 1 Lexcitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences dimagerie

9 Temps de relaxation transversale et diffusion temps Signal T2*T2* B M B M position = B Lorsque les spins diffusent:

10 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisé - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP Le temps de relaxation longitudinale T 1 Lexcitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences dimagerie

11 Les séquences dimagerie (1) FLASH -Angle limitant pondération RF et maximisant RSB - Autorise T 2 * court - Polarisation importante

12 Les séquences dimagerie (2) RARE N RF Lecture Phase Sélection - Grand angle de basculement - Maximum de signal - Faible polarisation - Une seule acquisition - Nécessite T 2 très long y y

13 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisé - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP Le temps de relaxation longitudinale T 1 Lexcitation radiofréquence RF Temps de relaxation transversale et diffusion Les séquences dimagerie

14 Poumon est un immense interface entre air et tissu z B0B0 Tissu tissu Air air B0B0 G Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP

15 Diffusion rapide atomes dhélium dans G + B 0 + RSB - Temps de vie du signal (T 2 *) Réduit le temps dobservation optimal du signal (T obs ) Rapport Signal sur Bruit (RSB) T2*T2* RF T obs

16 1,5T Scanner Signa GE (CIERM Kremlin Bicetre) 0,1T Scanner Magnetech (Orsay)

17 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisé - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP T 2 * en fonction de lintensité de B 0 Comparaison de RSB à 0,1T et 1,5T

18 N Méthode (1) FLASH pondérée T 2 * FOV 400mm dz 10mm 64 B W = 16kHz Alpha 10° TE1=3ms/TE2=9ms Inconvénient: Atténuation due au gradient bipolaire gênante pour haute résolution et (TE2-TE1) long 1,5T

19 Méthode (2) Sélection N TE2 Lecture Inconvénients: N2ms Calibration de langle de basculement FOV 400mm dz 10mm B W = 8; 4 kHz Alpha 10° TE1=18ms/TE2=34;75 ms Séquence pondérée par impulsions RF Acquisition longue Séquence entrelace lacquisition des deux échos À 0,1T Images pondérées en T 2 * TE1 RF Phase

20 TE1TE2 S(TE1) S(TE2) Masque Seuil = 3 SD bruit Considérant une décroissance mono exponentielle Méthode (3)

21 Résultats (1) Lutilisation de (TE2-TE1) court pour limiter le temps dacquisition (donc les artefacts de mouvements): Importante incertitude sur les résultats Etude pixel à pixel difficile à 1,5 T et impossible à 0,1T Etude de T 2 * moyen aux deux champs

22 Résultats (2) A 1,5 T Temps de vie 23 plus long à bas champ à cette résolution T 2 *= 16 1 ms A 0,1 T T 2 *= ms Examinons leffet sur RSB Pour V voxel = 391 mm 3

23 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisé - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP Mesure de T 2 * à 0,1T et 1,5T Comparaison de RSB à 0,1T et 1,5T

24 Méthode (1) Difficulté: Comparer du RSB dimages faites avec deux scanners différents! - Validation dune méthode de mesure de RSB absolue basée sur le principe de réciprocité 4 4 DI Hoult et al. JMR 34 p.425 (1979) - Application à limagerie

25 Principe de réciprocité : M : Aimantation : Angle de basculement o : Fréquence de Larmor P : Puissance pour produire B 1 dans une antenne RF k : Constante de Boltzmann T : Température NF : Facteur de bruit de la chaine de réception B W : Bande passante dacquisition N ex : Nombre daccumulations N x,N Y : matrice Méthodes (2) M

26 - Mesures des différents paramètres indépendamment Détermination de RSB théo - Comparaison avec le RSB expérimental mesuré directement sur la FID in vitro et in vivo Méthode (3)

27 A 0,1T: NF<1 dB A 1,5T: NF=1 dB Résultats (1)

28 In vivo et in vitro à 0,1T

29 Résultats (2) In vivo et in vitro à 1,5T

30 Application à limagerie (1) Prédiction de RSB satisfaisante Influence de linstrumentation quantifiée Renormalisation de RSB des images faites aux deux champs

31 0,1T Images FLASH Champ de vue 400mm 10mm dépaisseur de coupe même volontaire 1,5T TE utilisé à 0,1T T 2 * à 1,5T!!! Application à limagerie (3) RSB 14,1 RSB 17,5 V 3He =9,4cm 3 complètement polarisé V 3He =17,4cm 3 complètement polarisé T obs 4ms T obs 16msTE 15ms TE 3ms

32 - Méthode prédictive de RSB fonctionne Discussion et Conclusion - Manque de points pour définitivement conclure sur lintérêt pour RSB dune imagerie bas champ magnétique

33 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisé - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP T 2 * en fonction de lintensité de B 0 Comparaison de RSB à 0,1T et 1,5T

34 z B0B0 Tissu tissu Air air B0B0 G Z Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP (1) air/tissu Des modèles de relaxation dans les poreux existent pour des cavités fermées. Sont-ils applicables?

35 Séquence CPMG (Carr Purcell Meiboom Gill): - Impulsions compensent les hétérogénéités du champ principal - 20 ms Temps inter impulsion (t cp ). - Sans gradients RF x /2 y T 2cpmg t cp /2t cp y y y y Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP (2)

36 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisés - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP Influence du remplissage pulmonaire à 0,1T et 1,5T sur T 2cpmg Influence de la différence de susceptibilité à linterface air tissu

37 2 procédures dinhalations: - 3 He HP inhalé - Expiration totale pour atteindre le volume résiduel (VR) - Enfin respiration bloquée pendant lacquisition - 3 He HP inhalé - puis de lair jusquà atteindre la capacité pulmonaire totale (CPT) - Enfin respiration bloquée pendant lacquisition Méthode pour l homme (1) Sur 2 volontaires sains à 0,1T et 1,5T

38 Méthode pour lhomme (2) 0,1 T 1,5 T -Monoexponentiel sur la première décade - Ajustement monoexponentiel (NLLS). - Test-t de Student appliqué pour déterminer la significativité de la différence entre les deux procédure de remplissage (p<0,05)

39 Intensité du champ magnétique (T) T 2cpmg (s) [N] nombre dexpériences 0,1 8,16 0,58 [7] 9,64 0,42 [7] 1,5 0,110 0,042 [8] 0,204 0,015 [11] Résultats pour lhomme - T 2cpmg 48 à 72 fois + long à 0,1T quà 1,5T Ce qui est contraire aux théories classiques sur T 2cpmg dans les poreux <0,001 < Significativité intéressante à 1,5T p - T 2cpmg avec le remplissage pulmonaire aux deux champs

40 2 procédures dinhalations: Méthode pour le rat Sur 10 rats anesthésiés à 1,5T - 3 He HP inhalé jusquà atteindre 30cm H 2 O (CPT) puis acquisition - 3 He HP inhalé jusquà atteindre 30cm H 2 0 (CPT) suivie de lextraction de 10mL puis acquisition Collaboration avec léquipe de Y.CREMILLIEUX (Laboratoire de RMN, Université Lyon I )

41 Intensité du champ magnétique (T) T 2cpmg (s) [N] nombre dexpériences 1,5 0,099 0,011 [10] 0, [16] <2, Résultats pour le rat Excellente reproductibilité et significativité Même comportement que chez lhomme p

42 Discussion et Conclusions (1) A 0,1 T - Sensibilité faible au remplissage pulmonaire - Long T 2cpmg 10s Imagerie RARE facile à bas champ 6 et très bas champ 7 Image RARE Poumons humains en projection à 3mT 7 S pixel 6,25 12,5 mm² 6 E.Durand et al. MRM47(1) p (2002) 7 C.Bidinosti et al. Talk at ISMRM 2003 Toronto Incompatibilité des résultats avec les modèles de relaxation

43 Discussion et Conclusion (2) A 1,5 T Bonne sensibilité au remplissage pulmonaire Possibilité de lier ce paramètre à la taille alvéolaire Importance du protocole dinhalation pour les mesures de temps de relaxation transversale -T 2cpmg court 200ms Imagerie RARE difficile

44 - Principe et contraintes de lIRM de lhélium-3 hyperpolarisés - Intérêt dune intensité de champ faible pour lIRM de lhélium-3 HP dans les poumons Plan - Facteurs influençant le temps de relaxation transversale de lhélium-3 HP Influence du remplissage pulmonaire à 0,1T et 1,5T sur T 2cpmg Influence de la différence de susceptibilité à linterface air tissu

45 Compensation de la différence de susceptibilité à linterface air tissu Principe: Tissu tissu Air air air =+0,4ppm MKSA Paramagnétique tissu = parenchyme + sang =-9,1ppm MKSA Diamagnétique Si on injecte un super paramagnétique dans le sang on peut modifier la susceptibilité globale du tissu… Jusquà égaler celui de lair et ainsi neutraliser le gradient Tissu tissu

46 Méthode Pour 5 rats à 1,5T Injections intraveineuses dun produit de contraste super paramagnétique: UPSIO (Fe 3+ ) [Fe 3+ ]=4, mol/L estimé pour optimum de compensation Attente pour uniformisation de la concentration sanguine Inhalation de 3 He HP 30cm H 2 O en CPT Acquisition de trains CPMG Analyse monoexponentielle de T 2cpmg Manipulations faites avec léquipe de P. ROBERT (Groupe GUERBET )

47 Résultats T 2cpmg X 4-5 Concentration théorique mais 24% derreur avec la théorie

48 Discussion et Conclusions Démontre leffet de air/tissu sur T 2cpmg 0 µmol de Fe 3+ injecté FLASH FOV 100mm dz 10mm 128 TE/TR=17/36ms T obs 32ms Même rat, même coupe à 1,5T 57,6 µmol de Fe 3+ injecté (optimum de compensation) Allongement de T 2cpmg Amélioration probable de T 2 *

49 Pour le bas champ: -Facilité pour imager (T 2cpmg et T 2 * longs), RSB meilleur -Appareils très faible champ portables peu chers et permettant une imagerie dans différentes positions Conclusion Générale (1) Contre -Nécessite une acquisition longue pas compatible avec limagerie ventilation temps réel - Faible sensibilité au remplissage pulmonaire du temps de relaxation

50 Pour le haut champ: - Bonne sensibilité au remplissage pulmonaire du temps de relaxation - Utilisation dappareils très largement distribués - Compensation de susceptibilité offre des possibilités damélioration des images et dutilisation de nouvelles séquences Conclusion Générale (2) Contre - Impossibilité de faire des acquisitions dans différentes positions - Appareils déjà très utilisés

51 - Modèle de relaxation transversale dans les poumons A bas champ: - Exploration de limagerie à des champs encore plus bas A haut champ: Compensation de la susceptibilité - Essai de nouvelles séquences (RARE, EPI) dans de bonnes conditions - Rehaussement de limagerie ventilatoire dépend de la perfusion Conclusion Générale (3) Perspectives

52 Remerciements particuliers à : Geneviève GUILLOT Luc DARRASSE Xavier MAITRE Emmanuel DURAND Ludovic De ROCHEFORT Elana BRIEF Jacques BITTOUN Genevieve TASTEVIN Pierre-Jean NACHER Jamal CHOUKEIFE Christopher BIDINOSTI Michèle LEDUC LKB U 2 R M Yannick CREMILLIEUX David DUPUICH Vasile STUPAR Ernst OTTEN Werner HEIL Stefan HIEBEL Jorg SCHMIEDESKAMPF Philippe ROBERT Claire COROT Véronique VIVES Robin SANTUS

53 pO 2 Influence de la distribution de pO 2 sur la variation de T 2 *antério-postérieur T 2 * de 7-8% Antérieur Postérieur pO 2 de 33% Or Or pO 2 affecte le temps de vie 8 de laimantation donc du signal (T 2 *) Si on a une diminution de 50% de pO2 entre lavant et larrière des poumons alors: T 2 * sur le temps dobservation considéré (15-70ms)<1% seulement ! 8 Saam B. et al. Phys Rev A 1995; 52:


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