Précision de l’IRM de flux haute résolution 2D et 4D avec une antenne microscopique Gwenaël Pagé1, Roger Bouzerar 1,2, Adrien Heintz1, Dominique Haye3, Anne-Virginie Salsac4, Olivier Balédent1,2 1 : Laboratoire BioFlow Image – Université Picardie Jules Vernes – Amiens, France 2 : Unité de traitement d’images – CHU d’Amiens – Amiens, France 3 : PFT Innovaltech - St Quentin, France 4 : Laboratoire de Biomécanique et Bioingénierie – CNRS – Compiègne, France

Introduction L’IRM 2D CINE par contraste de phase (IRM-PC) est une technique permettant de quantifier les flux de manière non-invasive [1]. Un plan de coupe est placé perpendiculairement à la direction des flux que l’on souhaite observés (Fig.1). En plus des images d’amplitude, la séquence fournit des images de phase dont la valeur des pixels est fonction de la vitesse, les images sont synchronisées avec le cycle cardiaque. On obtient une trentaine d’images reconstruisant un cycle cardiaque moyen (Fig.2 et Fig.3). Les courbes de vitesse et de débit sont reconstruites en post-traitement pour chacun des vaisseaux étudiés [2] (Fig.4). Fig. 1 Image obtenue par séquence Contraste de Phase Angiographique. Plan de coupe C3-C4 Fig. 2 Images d’amplitude d’une séquence IRM-PC 2D CINE sur un cycle cardiaque, situées sur un plan de coupe C3-C4 Fig. 3 Images de phase d’une séquence IRM-PC 2D CINE sur un cycle cardiaque, situées sur un plan de coupe C3-C4 Fig. 4 Reconstruction de la courbe de débit de la carotide interne gauche au cours du cycle cardiaque [1] Pelc et al. Phase Contrast cine magnetic resonance imaging, MR, 1991 [2] Balédent et al. Cerebrospinal fluid dynamics and relation with blood flow: a magnetic resonance study with semiautomated cerebrospinal fluid segmentation, IR, 2001

Introduction L’IRM- PC 2D CINE a évoluée de l’acquisition d’une simple coupe à celui d’un volume, on parle d’IRM-PC 4D [3,4]. Elle permet d’encoder les vitesses dans les 3 directions de l’espace SI, AP, RL (SI: Superior-Inferior, AP: Anterior-Posterior, RL: Right-Left) au cours d’un cycle cardiaque sur le volume imagé. De la même manière que pour le 2D nous obtenons des images d’amplitude et des images des phases (Fig. 6 et 7). Pareillement à l’IRM 2D CINE PC une synchronisation cardiaque permet d’obtenir l’évolution du débit (Fig. 7). Peu de logiciels de post-traitement permettent d’analyser ce type de séquence. Et à notre connaissance aucun ne s’appuie sur une segmentation automatique. SI AP RL Fig. 5 Les axes de direction en IRM SI AP SI AP AMP RL AMP RL Fig. 6 Acquisition IRM-PC 4D d’une bifurcation de la carotide primitive. Plan de coupe sagittal d’une image d’amplitude ( en bas à gauche) et des images de phase encodé dans les 3 directions de l’espace. Fig. 7 Reconstruction des courbes de vitesse le long du cycle cardiaque sur un pixel situé sur la carotide externe pour chaque axe SI, AP, RL [3] Markl et al. 4D Flow MRI, JMRI, 2012 [4] Markl et al. Time-resolved three dimensional phase-contrast MRI

Objectifs Les séquences IRM 4D par contraste de phase sont principalement appliquées sur de gros vaisseaux de l’ordre du centimètre. Actuellement elles restent en phase d’évaluation sur des vaisseaux d’un diamètre moins important comme les artères intracrâniennes ou les vaisseaux de la région de la face et du cou. L’analyse hémodynamique de ces vaisseaux nécessite une augmentation de la résolution spatiale. Le but de cette étude est de comparer la précisions des mesures en IRM par contraste de phase haute résolution en 2D et 4D pour des diamètres de l’ordre du millimètre.

Matériels & Méthodes Le fantôme La pompe Un fantôme de plexiglas (Fig.8) a été fabriqué (en collaboration avec la PFT Innovaltech de St Quentin). Celui-ci est composé d’une bifurcation et de 6 branches possédant des diamètres de l’ordre de ceux de la face (de 5 à 2mm). 1 2 3 4 5 6 Fig. 8 Le fantôme et ses caractéristiques La pompe Une pompe (Masterflex) à galets (Fig. 9) permet d’envoyer un écoulement pulsatile d’eau au fantôme. La fréquence de rotation de la pompe est paramétrable par l’utilisateur, ici fixée à 70 cycles/min fournissant un débit de 71ml/min. Les mesures de débit envoyées par la pompe sont reproductibles. Fig. 9 La pompe

Matériels & Méthodes Le montage Fig. 11 Le montage Fig. 10 Capteurs de débit Un premier montage (Fig. 11) est réalisé dans le laboratoire en dehors de la salle d’acquisition IRM. Les longueurs et hauteurs sont conservées pour les différents éléments du montage, permettant de simuler les conditions trouvées en IRM Le fantôme est relié à la pompe via des tuyaux, d’une longueur d’une dizaine de mètre, afin de l’alimenter en eau par un écoulement pulsatile. Deux capteurs de débit, un intrusif et un non-intrusif, (Fig. 10) sont placés en entrée du fantôme et des mesures de débit sont réalisées, elles serviront de courbes étalons.

Fig. 12 Simulateur de gating Matériels & Méthodes Le montage Salle IRM Salle de console IRM La pompe Réservoir d’eau Fig. 12 Simulateur de gating Fig. 13 IRM 3T, Philips Le fantôme est ensuite placé à l’intérieur de l’IRM tandis que la pompe est située en salle de console Un système a été fabriqué afin de synchroniser les acquisitions IRM par contraste de phase avec le cycle de la pompe (Fig. 12). Les acquisitions sont réalisées avec une IRM 3T, Achieva dStream, Philips de recherche GIE-Faire Faces, CHU Amiens (Fig. 13).

Fig. 14 Antenne microscopique 47mm de diamètre Matériels & Méthodes Les acquisitions IRM Une antenne microscopique de 47mm de diamètre (Fig.14) est utilisée pour les acquisitions. Elle est placée sur la première moitié du fantôme. Celle-ci permet d’obtenir un meilleur signal en surface et ainsi une meilleure résolution spatiale, idéale pour l’imagerie de petits diamètre. Fig. 14 Antenne microscopique 47mm de diamètre Une séquence TOF est réalisée (Fig. 15), elle permet d’obtenir une image anatomique du fantôme sur laquelle on peut ensuite placé les plans de coupe des séquences 2D PC-MRI et les volumes des séquences 4D PC-MRI. Fig. 15 Acquisition du fantôme avec une séquence TOF

Matériels & Méthodes Les acquisitions IRM Les séquences 2D PC-MRI et 4D PC-MRI sont ensuite appliquées avec les paramètres suivant (Table 1). Séquence 2D IRM-PC 4D IRM-PC FOV (mm²) 30x30 80x80 Résolution spatiale (mm3) 0,2x0,2 0,5x0,5 Epaisseur de coupe (mm) 2 0,5 Nombre de coupes 1 35 TR/TE (ms/ms) 15/9 10/5 Nombre de répétition 3 Vitesse d’encodage, VENC (cm.s-1) 35, 40, 45* 45 Images par cycle 32 Temps d’acquisition (min:s) 2:46 47:12 Table 1 *Trois vitesses d’encodage sont appliquées aux différents diamètres

Fig. 16 Différents plans de coupe placés sur l’image TOF Matériels & Méthodes Les acquisitions 2D IRM-PC Fig. 18 Image de phase d’une branche de la bifurcation. Acquise avec une vitesse encodage fixée à 45cm/s Fig. 17 Image de phase de la branche d’entrée. Acquise avec une vitesse encodage fixée à 40cm/s Fig. 19 Image de phase d’une branche de la bifurcation. Acquise avec une vitesse encodage fixée à 35cm/s Fig. 16 Différents plans de coupe placés sur l’image TOF Trois plans de coupe en IRM-PC 2D CINE sont placés successivement sur la branche d’entrée (Ф=5mm) et les deux branches de la bifurcation (Ф=3mm et Ф=2mm) (Fig. 16). Les images de phase obtenues pour chaque branche sont affichées (Fig. 17, Fig. 18 et Fig.19). Les acquisitions IRM-PC 2D sont enregistrées dans un dossier DICOM dans lequel chaque série (contenant 32 images d’amplitude et 32 images de phase) est sauvegardée

Matériels & Méthodes Les acquisitions 4D IRM-PC AP RL SI Fig. 21 Représentation d’une coupe sagittale des images de phase du fantôme encodée dans les 3 directions de l’espace et de l’image d’amplitude (en bas à gauche). SI AP SI AP RL Fig. 20 Disposition du volume acquis en 4D IRM-PC avec une vitesse d’encodage fixée à 45cm/s AMP RL Une acquisition 4D IRM-PC est réalisée sur la première moitié du fantôme, c’est-à-dire la branche d’entrée et les deux branches de la bifurcation, avec une vitesse d’encodage fixée à 45 cm/s. Les images obtenues en IRM-PC 4D sont enregistrées dans un dossier DICOM, une acquisition est composée de 4 série de 32 images multiplier par le nombre de coupes.

Fig. 22 Image de phase, d’une des branches du fantôme, segmentée Matériels & Méthodes Post-traitement des séquences 2D IRM-PC Un logiciel de post-traitement, développé au laboratoire BioFlow Image du CHU d’Amiens, permet de segmenter, de manière semi-automatique, une ROI à partir des images IRM par contraste de phase (Fig. 22) et de quantifier les flux [2]. Grâce à cette segmentation, la surface de la ROI est obtenue et la vitesse circulant à l’intérieur est calculée. On en déduit le débit au cours du cycle (Fig. 23). Les résultats sont ensuite enregistrés dans un fichier Excel. Fig. 22 Image de phase, d’une des branches du fantôme, segmentée Fig. 23 Courbes de vitesse (à gauche) et de débit (à droite) au cours du cycle, reconstruites après segmentation. [2] Balédent et al. Cerebrospinal fluid dynamics and relation with blood flow: a magnetic resonance study with semiautomated cerebrospinal fluid segmentation, IR, 2001

Matériels & Méthodes Post-traitement des séquences 4D IRM-PC Dans le service BioFlow Image de Traitement d’Image du CHU Amiens nous développons notre propre système de traitement d’image grâce à l’outil IDL. Le logiciel charge et organise les volumes de vitesse et le volume d’amplitude (Fig. 24). Un nouveau volume fonction des amplitudes est construit, la valeur de chaque voxel est: Fig. 24 Représentation d’une coupe sagittale des images de phase du fantôme encodée dans les 3 directions de l’espace et de l’image d’amplitude.

Fig. 25 Volume du fantôme acquis sur lequel est placé un plan de coupe Matériels & Méthodes Post-traitement des séquences 4D IRM-PC Le flux étant synchronisé avec le cycle cardiaque. On se base sur cette propriété pour développer une segmentation semi-automatique , utilisant la Transformée de Fourier Rapide (FFT). Du spectre d’amplitude obtenu, il est possible de différencier le flux pulsatile du bruit. Un nouveau volume est reconstruit (Fig. 25), sur lequel est placé, manuellement un plan perpendiculaire au vaisseau sélectionné (Fig. 26). Les courbe de vitesse et de débit traversant le tube au cours d’un cycle sont alors reconstruites (Fig. 27). Fig. 26 Images de phase et d’amplitude reconstruites en fonction du plan de coupe placé sur la reconstruction. Fig. 25 Volume du fantôme acquis sur lequel est placé un plan de coupe Fig. 27 Courbes de vitesse (à gauche) et courbe de débit (à droite) obtenues en fonction de la segmentation

Fig. 28 Position des plans de coupe sur le fantôme Résultats Courbes de débit obtenues en 2D IRM-PC et 4D IRM-PC Les courbes de débit obtenues à partir des séquences 2D IRM-PC et 4D IRM-PC sont reconstruites pour chacun des plans de coupe indiqués (Fig. 28) . Les courbes de débit mesurées sont ensuite comparées avec la courbe étalon obtenues avec les capteurs. (Fig. 29 et Fig. 30). Position-1 Position-2 Position-3 Fig. 28 Position des plans de coupe sur le fantôme Fig. 29 Comparaison de la courbe étalon avec les mesures de débit obtenues après segmentation des séquences 2D IRM-PC pour chaque plan de coupe. Fig. 30 Comparaison de la courbe étalon avec les mesures de débit obtenues après segmentation des séquences 4D IRM-PC pour chaque plan de coupe.

Pourcentage d’erreur (%) Résultats Courbes de débit obtenues en 2D IRM-PC et 4D IRM-PC A partir des courbes de débit obtenues pour chaque acquisition on calcule le débit moyen au cours du cycle. Le débit moyen calculé est ensuite comparé à celui mesuré avec l’aide des capteurs de débit. Un pourcentage d’erreur dans la précision des mesures est ensuite calculé (Table 2), en prenant la différence entre le débit moyen mesuré à partir des séquences IRM et celui mesuré grâce aux capteurs de débit. Pourcentage d’erreur (%) Fantôme/Séquence 2D IRM-PC 4D IRM-PC Entrée (5mm) 2 7 Branches (2,3mm) 0,5 1 Table 2 Pourcentage d’erreur dans la précision de la mesure du débit.

Discussion Le fantôme étant alimenté par un fluide Newtonien non-compressible, il est donc possible d’additionner les valeurs de débit obtenues dans les deux branches de la bifurcation afin de calculer le débit total traversant le fantôme à cet endroit. Dans cette étude, les mesures réalisées à partir des séquences IRM-PC 2D sont plus précises, ce que l’on peut expliquer par une résolution spatiale supérieure. Néanmoins, le pourcentage d’erreur dans la précision des mesures est inférieure à 10% pour les deux types de séquences. Fig. 27 Comparaison de la courbe étalon avec les mesures de débit obtenues après segmentation des séquences 2D IRM-PC pour chaque plan de coupe. Fig. 28 Comparaison de la courbe étalon avec les mesures de débit obtenues après segmentation des séquences 4D IRM-PC pour chaque plan de coupe.

Fig. 29 Antenne microscopique 47mm de diamètre Discussion L’antenne microscopique (Fig. 29) permet d’obtenir un meilleur rapport Signal/Bruit en surface, permettant une haute résolution de qualité [5]. Ces antennes sont intéressante pour étudier les flux dans les vaisseaux superficielles de petit diamètre. Néanmoins, son champ d’exploration est faible ce qui limite son utilisation à l’acquisition de gros volumes. Il n’est pas possible, avec ce type d’antenne, d’utiliser le SENSE en facteur d’accélération. Ce qui permettrait de réduire le temps d’acquisition des séquences. Fig. 29 Antenne microscopique 47mm de diamètre [5] Fall et al. Antennes de surface versus antenne 32 éléments dans l’imagerie haute resolution, JFR, 2015,

Discussion Le principal avantage des séquences IRM-PC 4D est de pouvoir réaliser une acquisition volumique des vitesse. Ceci permet, en post-traitement, de situer un plan de coupe aux différentes positions que l’on souhaite observées. Et ainsi avoir une infinité de mesure. Cependant, elles présentent certains inconvénient: Son temps d’acquisition, difficilement applicable dans la pratique pour l’observation de vaisseau ayant un diamètre de l’ordre du millimètre. Néanmoins, de nouveaux facteurs d’accélération (k-t Blast, k-t PCA) [6] permettent d’avoir des durées d’acquisition plus acceptables. Les paramètres de séquence ne tenant compte que d’une seule vitesse d’encodage. Il est difficile d’obtenir une même qualité sur une arborescence présentent des vitesses de flux différentes. [6] Pedersen et al. k-t PCA: Temporally Constrained k-t BLAST Reconstruction Using Principal Component Analysis., MRM, 2009

Conclusion Notre modèle expérimental démontre la précision des séquences CINE PC sont précises avec un taux d’erreur inférieure à 2% en 2D et 10% en 4D. La quantification des écoulements dans des vaisseaux possédant des diamètres de l’ordre du millimètre est possible en 4D, néanmoins le temps d’acquisition n’est pour l’instant pas compatible avec la pratique clinique.

Points clés Un fantôme de bifurcation possédant des diamètres est alimenté par un écoulement pulsatile d’eau. Des acquisitions en IRM par contraste de phase 2D et 4D sont réalisées afin de mesurer les flux traversant les différentes branches du fantôme. Une antenne microscopique est utilisée permettant d’obtenir une meilleure qualité d’image en haute résolution Un logiciel de post-traitement a été développé dans le but de quantifier ces flux. L’erreur de mesure de débit est inférieure à 10% pour les deux types de séquence. Dans cette étude, les mesures réalisées à partir des acquisitions 2D IRM-Pc sont plus précises. Le temps d’acquisition des séquences IRM-PC 4D reste, pour l’instant un obstacle a sa pratique clinique.

QCM Pourquoi utiliser des antennes microscopique pour une acquisition IRM de diamètre de l’ordre du millimètre. Elles permettent d’avoir une meilleure qualité d’image en haute résolution. Elles offrent un meilleur signal en profondeur. Elles sont plus adaptées à un écoulement pulsatile Quel est le principal avantage des séquences IRM-PC 4D par rapport à l’IRM-PC 2D Elles sont plus rapide. Elles permettent d’obtenir des images de phase et des images d’amplitude. L’acquisition volumique des vitesses permet, en post-traitement, d’avoir une infinité de mesure. Quel est le principal inconvénient des séquences IRM-PC 4D Aucun logiciel de post-traitement permettant de les analyser n’existe. Elles réclament un long temps d’acquisition. Aucun facteur d’accélération ne peut être appliqué avec ces séquences. Réponse: 1.a, 2.c, 3.b