Lung disease is the main cause of mortality in cystic fibrosis patients. Imaging studies, in particular using computed tomography (CT), deliver valuable clinical information. However, repeated exposure to ionizing radiation increases the lifetime risk of cancer. This issue becomes even more prominent when considering that treatment advances have led to higher life expectancy for patients. Magnetic resonance imaging (MRI) methods are therefore increasingly investigated as an alternative free of ionizing radiation. In particular, ultra¬short echo time (UTE) sequences have recently been studied in cystic fibrosis patients, as they are more sensitive to parenchymal signal than conventional sequences. However, to avoid motion corruption of the images, while ensuring coverage of the whole lungs, patients are either asked to perform a breath-hold, which may be uncomfortable, or the acquisition is triggered with an external device (respiratory belt or bellow), the placement of which may be delicate. Another drawback is that the use of breath-holding or triggering limits data acquisition to a single phase of the respiratory cycle.
The initial phase of this project focused on the development of a self-navigated 3D UTE sequence. The use of self-navigation allows acquisition during free-breathing without any additional patient préparation. Moreover, this method allows rétrospective reconstruction of separate image volumes covering multiple phases of the respiratory cycle. The first study focused on the implementation and testing of a self-navigated 3D UTE sequence allowing coverage of the entire thorax with high isotropic spatial resolution in healthy volunteers.
The second study tested this new sequence in a group of cystic fibrosis patients. A high degree of corrélation was seen between findings on motion suppressed UTE images and CT images. The impact of a new reconstruction algorithm, using compressed sensing, was also explored. Objective measurements of image sharpness showed increased image quality with the compressed sensing algorithm.
Finally, the possibilities of contrast manipulation, unique to MRI, were investigated in a third study. In particular, the use of black-blood magnetization préparation may help highlight mucoid plugging. A black-blood UTE acquisition was implemented and an initial évaluation in healthy volunteers was carried out. The possibility to generate angiograms without contrast agent injection by subtracting black-blood data sets from bright-blood data sets was also investigated. Initial experience in two cystic fibrosis patients showed the potential to image mucoid plugging and to visualize systemic vessels.
This work was accomplished in close collaboration with clinical experts of the field. This allowed the successful development of a free-breathing 3D UTE acquisition covering the whole lungs, which can be used without requiring any breath-holds or external respiratory monitoring devices. Moreover, objective improvements in image quality could be demon- strated. This opens up new possibilities for the management of cystic fibrosis and may also benefit patients suffering from other thoracic diseases.
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L'atteinte pulmonaire est un facteur majeur de mortalité chez les patients souffrant de mu¬coviscidose. Les méthodes d'imagerie médicale telles que la tomodensitométrie permettent d'obtenir des informations cliniques essentielles. Toutefois, l'exposition répétée aux rayonne¬ments ionisants est associée à une augmentation du risque de cancer. Cette question prend de plus en plus d'importance au regard de la croissance de l'espérance de vie de ces patients, liée aux progrès en matière de traitement. Actuellement, les efforts de recherche se tournent donc de plus en plus vers les méthodes d'imagerie par résonnance magnétique (IRM) en tant qu'alternative non irradiante. En particulier, des séquences à temps d'écho ultra-court ont été récemment évaluées auprès de patients atteints de mucoviscidose car elles sont plus sensibles au signal du parenchyme que des séquences conventionnelles. Toutefois, pour éviter des artefacts de mouvement sur les images, tout en assurant une couverture de l'ensemble des poumons, soit une apnée est requise de la part des patients, ce qui est inconfortable, soit un déclenchement synchronisé de l'acquisition est effectué au moyen d'un dispositif externe (ceinture ou coussin respiratoire) dont le placement peut être délicat. Par ailleurs, les apnées et déclenchements synchronisés limitent l'acquisition des données à une seule phase du cycle respiratoire.
La partie initiale de ce projet était focalisée sur le développement d'une séquence 3D auto- naviguée à temps d'écho ultra-court. L'auto-navigation permet une acquisition en respiration libre sans préparation additionnelle du patient. Par ailleurs, cette méthode permet une reconstruction rétrospective de plusieurs volumes d'images couvrant des phases multiples du cycle respiratoire. La première étude était focalisée sur l'implémentation et le test d'une sé¬quence 3D auto-naviguée à temps d'écho ultra-court permettant une couverture de l'ensemble du thorax avec une haute résolution spatiale isotrope auprès de volontaires sains.
Dans un second temps, cette nouvelle séquence a été testée dans un groupe de patients atteints de mucoviscidose. Une corrélation élevée entre les signes observés sur les images d'IRM à temps d'écho ultra-court et sur les images de tomodensitométrie a été mesurée. L'impact d'un nouvel algorithme de reconstruction, utilisant de l'acquisition comprimée, a également été exploré. Des mesures objectives de netteté d'image ont montré une amélioration de la qualité d'image avec le nouvel algorithme de reconstruction.
Finalement, les possibilités de manipulation du contraste, spécifiques à l'IRM, ont été investi- guées. En particulier, l'usage d'une préparation d'aimantation "sang noir" pourrait permettre la mise en évidence d'impactions mucoïdes. Une acquisition à temps d'écho ultra-court avec préparation "sang noir" a été implémentée et évaluée dans un groupe de volontaires sains. La possibilité de générer des angiogrammes sans injection de produit de contraste en soustrayant des données "sang noir" de données "sang blanc" a également été étudiée. Des résultats préli¬minaires obtenus auprès de deux patients atteints de mucoviscidose ont montré le potentiel d'imagerie des impactions mucoïdes et des artères systémiques.
Ce travail a été accompli en étroite collaboration avec des cliniciens experts du domaine. Ceci a permis de développer avec succès une séquence 3D à temps d'écho ultra-court acquise en respiration libre, ne nécessitant ni apnées ni dispositifs externes. Des améliorations objectives de la qualité d'image ont été mesurées. Ces nouvelles possibilités de prise en charge des patients atteints de mucoviscidose pourraient également bénéficier à des patients souffrant d'autres pathologies thoraciques.
L'imagerie par résonnance magnétique des poumons pour l'évaluation des patients atteints de mucoviscidose
Jean Delacoste, Département de Radiologie, CHUV
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En Europe, plus de 35000 personnes sont atteintes de mucoviscidose. Cette maladie génétique chronique engendre notamment des problèmes pulmonaires qui sont respon¬sables d'une part majeure des décès. La prise en charge de ces patients nécessite de faire régulièrement appel à des techniques d'imagerie médicale utilisant des rayons X, telles que notamment la tomodensitométrie. L'exposition répétée aux rayons X entraî¬nant une augmentation du risque de développer un cancer, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est de plus en plus étudiée comme une alternative non irradiante.
Historiquement l'IRM était peu utilisée pour l'imagerie du poumon car elle ne per¬mettait de mesurer qu'un très faible signal dans le tissu pulmonaire. Toutefois, le développement de séquences d'acquisition dites "à temps d'écho ultra-court" permet de contourner cette limite. Les mouvements respiratoires sont un second obstacle majeur. Habituellement, une apnée est requise des patients, ce qui peut être pénible pour des personnes souffrant de maladies pulmonaires. L'acquisition peut également être synchronisée au moyen de dispositifs externes mais leur mise en place peut être délicate.
Pour pallier à ces contraintes, nous avons donc implémenté une séquence "à temps d'écho ultra-court" auto-naviguée permettant de couvrir l'ensemble des poumons avec une haute résolution. L'auto-navigation est une technique utilisant le signal IRM pour trier les données en fonction de la phase du cycle respiratoire durant laquelle elles ont été acquises. Ceci permet d'effectuer les acquisitions en respiration libre et sans équipement supplémentaire.
Cette nouvelle technique a été testée en étroite collaboration avec des cliniciens experts du domaine dans un groupe de volontaires sains puis dans un groupe de patients atteints de mucoviscidose. La méthode d'auto-navigation, couplée à un algorithme de reconstruction d'image de dernière génération, a permis d'obtenir quatre volumes d'images pour chaque acquisition, représentant des phases différentes du mouvement respiratoire spontané — de l'expiration à l'inspiration. Une comparaison avec des données de tomodensitométrie acquises pour des raisons cliniques chez les patients a montré une excellente corrélation avec la méthode IRM, indiquant ainsi le potentiel clinique de cette méthode.
Finalement, l'ultime volet de ce projet a consisté à mettre en place et évaluer une technique permettant de supprimer le signal mesuré dans les vaisseaux sanguins afin de faciliter la différenciation entre différentes structures observées dans les images.
Ce projet de recherche a permis le développement de techniques ouvrant de nouvelles possibilités pour la prise en charge des patients atteints de mucoviscidose, tout en évitant l'exposition aux rayons X. A terme ces avancées devraient également bénéficier à des patients atteints d'autres maladies pulmonaires.