Conditions de validité de l'Élastographie par Résonance Magnétique

Abstract

Magnetic Resonance Elastography (MRE) is a imaging technique, recognized as a pertinent method for the mechanical characterization of human tissue in vivo. It offersa particular interest in clinical diagnosis because the development of a pathological process is often accompanied by modifications of the mechanical properties of diseased tissues. MRE consists of recording, along the three spatial dimensions, the displacement field induced by the propagation of a shear wave generated by excitation of the investigated tissue. Mechanical parameters such as shear wave velocity, v, and shear moduli, G' and G'', can then be mapped. The quantification of the mechanical parameters depends on the frequency of the mechanical excitation, fexc, the spatial resolution, a, the amplitude of the induced displacement field, A and the amplitude of the curl field displacement, q, with associated measurement errors, ΔA and Δq, (related to the signal-to-noise ratio, SNR) and finally the reconstruction method. All these parameters were considered to determine the precision and the accuracy of the estimated mechanical moduli and to establish the conditions of validity of MRE following the inversion of the differential equations of the displacement field. In this work, first A and A/ΔA were considered to define a validity threshold for MRE. The influence of A and A/ΔA was studied on a heterogeneous phantom acquired using a 1.5 T MRI with two different types of coils. In a first study, the displacement fields were acquired as a function of A using motion-sensitized spin-echo (REF) and gradient-echo (FFE) sequences for an isotropic spatial resolution of 1 mm. In a second study, the displacement field was acquired as a function of A using RFE for three different spatial resolutions. These studies revealed the existence of a threshold in A/ΔA beyond which the extracted parameters (G', G'') reach a plateau and the MRE is reliable. Then the number of voxels per wavelength, λ/a was considered as a parameter determining the conditions of validity of MRE. This parameter was studied according to the quality of the acquired data characterized by the ratio q//Δq. Simulations were carried in a homogeneous and isotropic elastic medium with a SNR between 5 and 30. The accuracy and the precision of the measurements were found optimal for 6 to 9 voxels per wavelength. The simulation conditions were experimentally reproduced at 2 kHz on a home-made polyvinyl alcohol phantom. The displacement fields were acquired at 11.7 T using a motion-sensitized RFE sequence with spatial resolutions ranging from 150 μm to 300 μm in order to obtain a λ/a ratio ranging from 1 to 20. The experimental results fully confirm the predictions of the simulation. The shear wave velocity decreases with λ/a. It tends towards the expected reference value when the acquisition is performed in the optimal condition, namely here when a is less than or equal to 200 μm. In addition, the standard deviation of the shear wave velocity is reduced for the optimal conditions. Therefore, accurate estimation of mechanical parameters could be deduced. This thesis first demonstrates that the precision and accuracy of MRE are optimal when the acquisitions are performed or processed for a certain wavelength sampling range determined by the SNR. We also showed that for fair comparison of the results, MRE must be carried out in a similar range of q/Δq. Taking into account the conditions of validity of MRE, determined by the ratios λ/a and q/Δq, leads to an effective quantitative measurement of the mechanical parameters making it possible to establish a relevant clinical diagnosis within the same organ, the same subject, between subjects or over time.L'élastographie par résonance magnétique (ERM) est une technique d'imagerie, reconnue comme une méthode pertinente pour la caractérisation mécanique des tissus humains in vivo. Celle-ci représente un intérêt fondamental en diagnostic clinique car le développement d'un processus pathologique s'accompagne la plupart du temps d'altérations des propriétés mécaniques des tissus atteints. L'ERM consiste à enregistrer le champ de déplacement induit au passage d'une onde de cisaillement généré dans le milieu étudié. Les paramètres mécaniques comme la vitesse, v, et les modules de viscoélasticité de cisaillement, G' et G'', peuvent être cartographiés. La quantification des paramètres mécaniques dépend à la fois de la fréquence mécanique, fexc, de la taille de voxel, a, de l'amplitude des champs de déplacement induits, A, de l'amplitude du rotationnel du champ de déplacement, q, des erreurs de mesure, ΔA et Δq, donc du rapport signal à bruit, RSB, et enfin de la méthode de reconstruction. En inversant les équations différentielles du champ de déplacement acquis selon les trois dimensions de l'espace, ces paramètres ont été considérés pour déterminer la précision et l'exactitude des modules mécaniques obtenus et établir les conditions de validité de l'ERM. Dans cette thèse, nous avons tout d'abord considéré A et A/ΔA afin de définir un premier seuil de validité pour l'ERM. Nous avons étudié l'influence de ces deux paramètres sur un fantôme hétérogène dans un appareil IRM 1,5 T avec deux types d'antennes. Dans une première étude, les champs de déplacement ont été acquis en fonction de A en utilisant deux séquences écho de spin (RFE) et écho de gradient (FFE) sensibilisées au mouvement pour une taille de voxel isotrope de 1 mm. Dans une seconde étude, ils ont été acquis en RFE en fonction de A pour trois résolutions spatiales différentes. Ces études ont révélé l'existence d'un seuil en A/ΔA au-delà duquel les paramètres extraits (G', G'') atteignent un plateau et l'ERM est fiable. Nous avons ensuite considéré le nombre de voxel par longueur d'onde, λ/a, comme paramètre déterminant des conditions de validité de l'ERM et nous avons caractérisé la qualité des données acquises par le rapport q/Δq. Sur des simulaitons dans un milieu élastique, homogène et isotrope avec un RSB variant entre 5 et 30, la précision et l'exactitude des mesures se sont avérées optimales pour 6 à 9 voxels par longueur d'onde. Nous avons reproduit expérimentalement à 2 kHz les conditions des siimulations sur un fantôme de PVA. Les champs de déplacement ont été acquis à 11,7 T en utilisant une séquence RFE sensibilisée au mouvement pour des résolutions spatiales de 150 μm à 300 μm afin de balayer le rapport λ/a de 1 à 20. Les résultats expérimentaux confirment pleinement les prédictions de la simulation. La vitesse de cisaillement diminue et tend vers la vitesse de référence attendue lorsque l'acquisition est réalisée dans le domaine optimal, à savoir ici lorsque a est inférieure ou égale à 200 μm. En outre la dispersion de la vitesse est réduite dans le domaine optimal et des estimations plus précises des paramètres mécaniques ont pu être déduites. Cette thèse montre d'une part que la précision et l'exactitude de l'ERM sont optimales lorsque les acquisitions sont réalisées ou traitées pour un domaine d'échantillonnage de la longueur d'onde déterminé par le RSB. Elle montre d'autre part que la comparaison des résultats obtenus doit être menée dans une gamme similaire de q/Δq. La prise en compte des conditions de validité de l'ERM, déterminées par les rapports λ/a et q/Δq, conduit à une mesure quantitative effective des paramètres mécaniques. Il est ainsi possible d'envisager un diagnostic clinique pertinent au sein d'un même organe, d'un même sujet, entre sujets ou au cours du temps