Conditions optimales et sensibilité de l'ERM cérébrale : milieux homogènes à hétérogènes

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is an imaging technique for the mechanical characterization of biological tissues. This technique consists in recording by MRI the displacement fields induced by the propagation of an induced shear wave in a target tissue. Mechanical parameters such as the shear wave velocity, shear elasticity or shear viscosity moduli can then be deduced by inverting the differential equations of the acquired displacement fields. Thus, MRE allow to map the mechanical parameters of the medium which are recognized as relevant biomarkers to characterize the pathophysiological state of biological tissues.However, the promise of absolute quantification of shear viscoelastic moduli by MRE is undermined by the multiple dependence of the results on acquisition parameters and reconstruction methods. Recent works have shown that the factors determining the accuracy and precision of MRE measurement can ultimately be subsumed with two parameters that essentially characterize how well the propagating shear wave is sampled: the spatial sampling factor, s = λ/a, and the amplitude sampling factor, Q = q/Δq, where λ is the shear wavelength, a, the voxel size, q, the amplitude of the curl of the displacement field, and Δq, the associated measurement uncertainty. Optimal conditions on s and Q must be fulfilled to validate MRE outcomes as proven in mechanically homogeneous media. In this work, optimal conditions were studied in heterogeneous and structured media so that they could be applied to the brain. First, MRE accuracy and precision were investigated with optimal sampling strategies by carrying out multi-frequency experiments on a set of four mechanically-calibrated phantoms that mimic the stages of liver fibrosis. Absolute quantification and significant grading could be achieved only when optimal conditions were fulfilled either prospectively by adequate multi-frequency excitation or retrospectively by data multi-resampling. Second, MRE optimal conditions were investigated on a heterogeneous breast phantom containing inclusions mimicking tumour lesions stiffer than the surrounding homogeneous parenchyma. This second study allowed to show the need to set different optimal sampling factors by acquiring with multiple excitation frequencies in order to regionally determine the mechanical parameters with the best accuracy and precision and more significantly discriminate the mechanically different regions. Third, multi-frequency brain MRE was performed in order to investigate the best conditions to accurately and precisely discriminate cerebral white matter, grey matter, and the cerebellum in a healthy subject. The cerebellum was found to be less elastic and viscous than cerebral white and grey matters, which exhibited similar shear viscoelastic moduli despite their different anatomical structures. These findings corroborated results recently found in the literature and questioned the general sensitivity of the technique for mechanically characterizing brain diseases. Fourth, physical conditions analogous to microgravity were implemented in the bore of the MRI system to tune brain mechanical properties and challenge MRE sensitivity to inferred changes. During head-down tilt at rest, the expected cephalad fluid shift may increase intracranial pressure in healthy subjects like in a zero gravity spaceflight. Associated tissue stiffening was revealed with optimal MRE by a significant increase of the shear velocity and shear dynamic modulus throughout the brain, especially in the superior peripheral regions. Thereafter, brain MRE, performed in optimal conditions, could be advantageously used to detect mechanical alterations due to similar or inverse pressure changes in pathological processes like haemorrhage, hydrocephalus, or cancer with blood flow redistribution and cerebrospinal fluid accumulation or depletion.L'élastographie par résonance magnétique (ERM) est une technique d'imagerie permettant la caractérisation mécanique des tissus biologiques. Cette technique consiste à enregistrer par IRM les champs de déplacement induits par la propagation d'une onde de cisaillement générée dans un tissu cible. Des paramètres mécaniques tels que la vitesse de l'onde de cisaillement, le module d'élasticité ou de viscosité de cisaillement peuvent ensuite être déduits en inversant les équations différentielles des champs de déplacement acquis. Des travaux récents ont montré la difficulté d’une quantification absolue des paramètres mécaniques et ont permis de souligner les facteurs déterminant l'exactitude et la précision de la mesure par ERM qui peuvent finalement être ramenés à deux paramètres qui caractérisent essentiellement la qualité de l'échantillonnage de l'onde de cisaillement qui se propage dans le milieu étudié : le facteur d'échantillonnage spatial, s=λ/a, et le facteur d'échantillonnage d'amplitude, Q=q / ∆q, où λ est la longueur d'onde de cisaillement, a, la taille du voxel, q, l'amplitude du rotationnel du champ de déplacement, et ∆q , l'incertitude de mesure associée. Ainsi, dans des milieux mécaniquement homogènes, les conditions optimales sur s et Q doivent être remplies pour que les résultats de l'ERM soient valides.Dans ce travail de thèse, les conditions optimales ont été étudiées dans des milieux hétérogènes et structurés pour pouvoir les appliquer in vivo dans le cerveau. Premièrement, l’incertitude de mesure en ERM a été évaluée pour des stratégies d'échantillonnage optimales en réalisant des expériences multifréquences sur un ensemble de quatre fantômes homogènes calibrés mécaniquement qui reprennent les stades de la fibrose hépatique. Une quantification mécanique absolue et une gradation significative n’ont pu être obtenues que lorsque les conditions optimales étaient remplies pour l’ensemble des fantômes soit prospectivement par une excitation multifréquence adéquate, soit rétrospectivement par un multi-rééchantillonnage des données. Deuxièmement, les conditions optimales de l’ERM ont été établies sur un fantôme mammaire hétérogène contenant des inclusions modélisant des lésions tumorales plus rigides que le parenchyme homogène autour. Cette étude a mis en évidence la nécessité d’un échantillonnage multiple des champs de déplacement à travers des acquisitions à différentes fréquences d'excitation afin, d’une part, de déterminer les paramètres mécaniques régionaux avec les meilleures précision et exactitude possibles et, d’autre part, de discriminer significativement mieux différentes régions mécaniques du fantôme. Troisièmement, des acquisitions d’ERM cérébrale à différentes fréquences d’excitation ont été réalisées afin d'étudier les meilleures conditions pour discriminer avec précision et exactitude la matière blanche, la matière grise et le cervelet chez un sujet sain. Le cervelet s'est avéré moins viscoélastique que les matières blanches et grises cérébrales, qui présentaient des modules viscoélastiques de cisaillement similaires en dépit de leurs structures anatomiques différentes. Enfin, des conditions physiologiques analogues à la microgravité ont été mises en place pour modifier les propriétés mécaniques du cerveau et éprouver la sensibilité de l'ERM aux changements induits. En position inclinée tête en bas, l’ERM a révélé une augmentation significative de la vitesse et des modules viscoélastiques dans tout le cerveau, en particulier dans les régions périphériques supérieures. Cette étude a permis de montrer que l'ERM cérébrale, réalisée dans des conditions optimales, pourrait être avantageusement utilisée pour détecter des altérations mécaniques dues à des changements de pression similaires ou inverses dans des processus pathologiques tels que l'hémorragie, l'hydrocéphalie ou le cancer qui s’accompagnent d’une redistribution du flux sanguin et une accumulation ou une perte de liquide cérébrospinal

Brain MR-Elastography in microgravity analogous conditions

International audienceThe head down tilt (HDT) position is commonly used to simulate vascular and tissue fluid dynamics during spaceflights. In HDT position, the cerebral autoregulation faces difficulties to adjust the vascular tone while the cephalad fluid shifts may yield increased intracranial pressures and altered mechanical properties. Recent MRI T2 mapping in HDT position have shown fluid overpressure in the brain and resulting loss of water contents in the CSF and orbital compartments. Brain MRE was performed here in similar HDT conditions. It was sensitive enough to provide new insights on the overall mechanical response of brain tissues in microgravity analogous conditions. Summary of Main Findings/Short Synopsis Brain fluid overpressure and resulting loss of water contents in CSF and orbital compartments were confirmed by T2 mapping in head down tilt position. The overall brain mechanical response in such microgravity analogous conditions, cerebral tissue stiffening, was revealed by whole brain MRE

Multi-frequency MRE for elasticity quantitation and optimal tissue discrimination: a two-platform liver fibrosis mimicking phantom study

International audienceIn the framework of algebraic inversion, Magnetic Resonance Elastography (MRE) repeatability, reproducibility and robustness were evaluated on extracted shear velocities (or elastic moduli). The same excitation system was implemented at two sites equipped with clinical MR scanners of 1.5 T and 3 T. A set of four elastic, isotropic, homogeneous calibrated phantoms of distinct elasticity representing the spectrum of liver fibrosis severity was mechanically characterized. The repeatability of the measurements and the reproducibility between the two platforms were found to be excellent with mean coefficients of variations of 1.62 % for the shear velocity mean values and 1.95 % for the associated standard deviations. MRE velocities were robust to the amplitude and pattern variations of the displacement field with virtually no difference between outcomes from both magnets at identical excitation frequencies even when the displacement field amplitude was 6 times smaller. However, MRE outcomes were very sensitive to the number of voxels per wavelength, s, of the recorded displacement field, with relative biases reaching 62 % and precision losing up to a factor 23.5. For both magnetic field strengths, MRE accuracy and precision were largely degraded outside of established conditions of validity (6≲s≲9) resulting in estimated shear velocity values not significantly different between phantoms of increasing elasticity. When fulfilling the spatial sampling conditions, either prospectively in the acquisition or retrospectively before the reconstruction, MRE produced quantitative measurements that allowed to unambiguously discriminate, with infinitesimal p-values, between the phantoms mimicking increasing severity of liver fibrosis