FREE-RUNNING FRAMEWORK FOR AUTOMATED MULTIDIMENSIONAL AND COMPREHENSIVE MAGNETIC RESONANCE IMAGING OF THE HEART

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State: Public
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Serval ID
serval:BIB_359C8A20865C
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
FREE-RUNNING FRAMEWORK FOR AUTOMATED MULTIDIMENSIONAL AND COMPREHENSIVE MAGNETIC RESONANCE IMAGING OF THE HEART
Author(s)
DI SOPRA Lorenzo
Director(s)
Stuber Matthias
Codirector(s)
Yerly Jérôme
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Accepted
Issued date
2020
Language
english
Abstract
Cardiovascular disease is the leading cause of morbidity and mortality globally, contributing to an estimated 31% of all deaths. According to the most recent statistics of the American Heart Association, almost 50% of these deaths are at- tributable to coronary artery diseases (CAD). Magnetic resonance imaging (MRI) has emerged as a promising imaging modality for the detection and diagnosis of CADs, as it can generate 3D images and 2D slices along any arbitrary plane, it provides high contrast for soft tissues, and the exam is safe and noninvasive. Furthermore, besides coronary vessel visualization, multiple assessments are en- abled within the same MR examination, such as whole-heart anatomy, cardiac function, tissue characterization, and perfusion.
While MRI offers many advantages, the relatively long acquisition time repre- sents one of the main limitations. This aspect becomes particularly challenging when imaging the heart, as it is characterized by rapid and complex movements (bulk, respiratory, and cardiac motion), which can corrupt images with blurring artifacts. For this reason, several techniques to avoid, correct, or resolve motion have been proposed in the past decades, most of which require external devices for motion tracking and numerous manual interactions from experienced operators.
Conversely, a novel approach to cardiac MRI is presented in this thesis: the free-running framework. The goal is to provide efficient motion-resolved imaging of the whole heart within a fully automated single-click acquisition and recon- struction, which does not require external devices for motion synchronization. Furthermore, the developed framework aims at providing the most comprehensive diagnostic information, including (but not limited to) anatomical and functional assessment.
To illustrate the context and set the starting point of the work presented in this thesis, an overview of the milestones that led to the formulation of the free-running framework is given in the first chapter.
In the second chapter, two studies present the first complete formulation of an automated and fully self-gated free-running framework for motion-resolved 5D whole-heart MRI. In particular, the first study developed a robust and precise self-gating technique to resolve cardiac motion, as an alternative to the gold- standard electrocardiogram (ECG) signals. The retrospective image reconstruc- tion pipeline was also automated to minimize the number of manual adjustments required. With this implementation, all external gating or triggering devices are no longer mandatory.
In the second study, made in a collaborative effort with the Children’s Hospital of Philadelphia (Pennsylvania, USA), the free-running framework was modified and successfully tested in a cohort of congenital heart disease pediatric patients with contrast agent for motion-resolved 5D coronary angiography. These projects proved that the free-running framework is robust and flexible under various scan- ning conditions, while providing an automated and easy-to-use solution for car- diac MRI with excellent delineation of the coronary arteries.
The third chapter presents four different studies that either enhance the per- formance of or extend the information provided by the free-running framework. In the first two studies, two alternative acquisition pulse sequences (FISS and LIBRE) have provided effective fat suppression in motion-resolved whole-heart 5D images for coronary MR angiography without contrast agent injection.
The third project presented in this chapter, 5D flow MRI, is the result of a collaboration with Northwestern University (Illinois, USA). In this study, a 6th dimension for the resolution of cardiovascular flow dynamics was added to the free-running framework, expanding its dimensionality.
The fourth project, 5D T1-mapping MRI, proposed an extension of the free- running approach to include a 6th dimension for whole-heart isotropic T1-mapping in addition to motion-resolved 5D images.
In summary, the four studies presented in this chapter demonstrate how the framework first developed for 5D imaging already enabled and accelerated the research in the domain of cardiac MRI both inside and outside of our institution.
In the last project included in this thesis, presented in the fourth chapter, the free-running framework was successfully adapted and applied to motion-resolved imaging of the human eye, removing the necessity for anesthesia or stable fixation that still are a requirement for current MRI protocols in ophthalmology.
In conclusion, the free-running framework presented in this thesis has the potential to help simplify and disseminate MRI of the heart (and potentially other moving organs) in both research and clinical practice, where a single-click acquisition and automated reconstruction provide images with comprehensive diagnostic information.
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Les maladies cardiovasculaires constituent aujourd’hui la première cause de mor- bidité et de mortalité dans le monde: l’American Heart Association les estime responsables de 31% des décès, dont plus de la moitié sont attribués à une patholo- gie touchant les artères coronaires.
L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est apparue comme une technique prometteuse pour la détection et le diagnostic des maladies coronariennes, car permettant la génération d’images 2D (dans toutes les directions) et 3D au con- traste élevé, lors d’un examen clinique non-invasif et sûr. En parallèle de la visualisation des vaisseaux du cœur, plusieurs évaluations cliniques peuvent être réalisées lors d’un même examen IRM, entre autres: appréciation de l’anatomie cardiaque globale, évaluation de la fonction cardiaque, caractérisation des tissus, évaluation du mécanisme de perfusion.
La technique d’IRM offre de nombreux avantages, mais présente l’inconvénient majeur d’un temps d’acquisition relativement long. Dans le cas de l’examen du cœur, un organe sujet à des mouvements à la fois rapides et complexes car multi- ples (battements cardiaques, mouvement respiratoire, mouvements aléatoires du patient), la question de la méthode d’acquisition est dès lors cruciale, car la qual- ité des images est facilement altérée par des artéfacts liés au mouvement. Ces dernières décennies ont vu naître de nombreuses techniques permettant de cor- riger ou d’empêcher la création des artéfacts de mouvement, voire même de ren- dre possible la visualisation des mouvements en question. Cependant, la grande majorité de ces techniques requièrent un ou plusieurs appareils externes pour la détection du mouvement, et augmentent de fait la contribution et l’expertise devant être fournies par les techniciens en radiologie lors de l’examen.
Dans cette thèse, une approche nouvelle de l’IRM cardiaque est présentée, où l’acquisition est continue et suivie d’un canal de reconstruction sophistiqué permettant l’extraction des mouvements cardiaque et respiratoire. Cet ensem- ble de techniques allant de l’acquisition au traitement de l’image forme un cadre de fonctionnement IRM qui fut intitulé en anglais ‘Free-Running Framework’ (FRF). L’objectif est de produire des images dynamiques et multidimensionnelles du cœur entier à partir d’une unique acquisition ininterrompue, complètement au- tomatisée, sans appareils externes, et qui peut être lancée d’un seul clic. Le cadre d’acquisition et de reconstruction est développé dans une optique d’optimisation de l’information extraite, notamment au niveau anatomique et fonctionnel (mais sans se limiter à ces deux aspects), pour le diagnostic clinique.
Afin d’illustrer le contexte de l’émergence du FRF et de donner un point de dé- part au travail présenté dans cette thèse, un aperçu chronologique des développements théoriques et techniques d’IRM cardiovasculaire ayant précédé cette thèse est rapporté dans le premier chapitre.
Dans le deuxième chapitre, la première formulation complète d’un cadre au- tomatisé et entièrement autonome dans l’extraction des signaux physiologiques et du mouvement pour la production d’images 5D du cœur humain par résonance magnétique est présentée en deux études.
La première étude se concentre sur le développement d’une méthode robuste et précise d’auto-gating pour l’extraction du mouvement cardiaque, en la présen- tant comme une alternative à la méthode de référence utilisant les signaux de l’électrocardiogramme (ECG). Lors de ce travail, le canal de reconstruction d’ima- ges fut automatisé afin de réduire le nombre d’ajustements manuels requis. Avec cette implémentation, tous les appareils externes de détection, dont l’ECG, de- viennent superflus.
Dans la deuxième étude, réalisé en collaboration avec le Children’s Hospital of Philadelphia (Pennsylvania, USA), une version modifiée du FRF fut testée au sein d’un panel de patients pédiatriques atteints de cardiopathie congénitale. La réalisation d’un examen IRM de coronarographie avec injection d’un agent de contraste chez ces patients a démontré l’applicabilité et la performance du FRF dans les conditions cliniques standard rencontrées en imagerie cardiaque.
Ces deux projets ont prouvé le caractère à la fois robuste et flexible du FRF, qui a été facilement adapté à différentes conditions d’imagerie et a produit une ex- cellente délinéation des vaisseaux coronaires. Ils ont démontré le positionnement du FRF en tant que solution automatisée et facile d’usage pour l’IRM cardiovas- culaire.
Le troisième chapitre est constitué de quatre études dans lesquelles les perfor- mances ainsi que la quantité et la qualité d’information obtenue avec le FRF ont été accrues. Les deux premières de ces études concernent l’utilisation de deux séquences d’acquisition (FISS et LIBRE) visant à supprimer le signal indésirable provenant des tissus adipeux. La conjonction de ces séquences et du FRF a per- mis d’obtenir des images 5D du cœur entier et des vaisseaux, sans gras ni artéfacts de mouvement, et cela sans nécessiter l’injection d’un agent de contraste.
Le troisième projet, intitulé ‘5D flow MRI’ et réalisé en collaboration avec l’Uni- versité de Northwestern (Illinois, USA), propose une extension du FRF dans laquelle l’ajout d’une sixième dimension permet l’étude de la dynamique des flux sanguins.
Dans une approche similaire, la quatrième et dernière étude de ce chapitre, in- titulée ‘5D T1-mapping’ exploite une sixième dimension, cette fois-ci pour car- tographier quantitativement le temps de relaxation longitudinale T1 des différents tissus cardiaques.
Pour résumer, les quatre projets présentés dans le troisième chapitre de cette thèse ont montré comment le FRF a pu être étendu, à la fois dans sa dimension- nalité et dans son domaine d’application, afin d’accélérer la recherche en IRM cardiaque, au sein et au-delà de notre institution.
Le quatrième et ultime chapitre de cette thèse concerne l’adaptation du FRF à l’étude d’un autre organe mouvant: l’œil humain. Dans ce cadre, l’usage de la technique d’extraction du mouvement a rendu possible une acquisition ne néces- sitant ni anesthésie ni positionnement fixe de l’œil, des conditions normalement requises par les protocoles IRM standards en ophtalmologie.
En conclusion, le cadre FRF développé et présenté dans cette thèse a le po- tentiel d’aider à la simplification ainsi qu’à la diffusion de l’IRM cardiovasculaire, à la fois dans les projets de recherche et dans la pratique clinique.
Create date
04/02/2021 10:30
Last modification date
28/05/2021 6:36
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