L'objectif initial de cette thèse était le développement d'une nouvelle méthode d'imagerie par résonnante magnétique destinée à la visualisation dynamique du cœur du fœtus avec de hautes résolutions spatiale et temporelle. Bien que les outils nécessaires pour atteindre ce but n'aient pas été disponibles au stade initial de ce projet, ces contraintes ont été largement dépassées lors du développement de cette étude. Dans une optique de recherche translationnelle et multidisciplinaire, cette nouvelle technique d'IRM a été non seulement testée chez des fœtus, mais a été également comparée à l'échographie, qui est la modalité de référence pour l'imagerie fœtale. Les connaissances relatives à l'impact du mouvement acquises lors de la phase initiale de ce projet m'ont permis, dans un cadre plus large, de développer en parallèle d'autres techniques pour l'imagerie cardiaque et pulmonaire. L'imagerie cardiaque fœtale restant le cœur de cette thèse, deux études complémentaires sont également présentées pour illustrer les autres domaines que j'ai pu aborder durant mon doctorat.
Les cardiopathies congénitales sont couramment diagnostiquées chez les fœtus pendant la grossesse grâce à l'échocardiographie. Cependant, cette technique d'imagerie n'est pas toujours concluante, notamment à cause des comorbidités que l'on peut rencontrer chez les patientes. Dans ces conditions, une modalité d'imagerie alternative, qui serait non-invasive et ne requerrait pas l'utilisation de rayons ionisants serait la bienvenue afin d'améliorer la prise en charge des patientes et de leurs enfants.
L'imagerie par résonnance magnétique répond à toutes ces conditions. En revanche, les résolutions spatiale et temporelle obtenues avec l'IRM, ainsi que sa vulnérabilité aux mouvements, ont été des facteurs limitants pour l'imagerie cardiaque, aussi bien chez le fœtus que chez l'adulte. Néanmoins, de récentes avancées, telles que les acquisitions comprimées (compressecl sensing) ou les trajectoires radiales, ont permis de nouvelles opportunités pour l'IRM dans ce domaine. Dans cette thèse, j'ai utilisé et optimisé ces nouvelles techniques pour minimiser la sensibilité de l'IRM aux mouvements d'une part, et améliorer les résolutions spatiale et temporelle d'autre part. Ces développements ont permis de mener à bien trois études principales durant ce projet de doctorat :
La première étude concerne la validation d'un nouveau système de reconstruction d'images pour l'imagerie dynamique du cœur du fœtus. Puisque la synchronisation entre la collecte des données avec l'IRM et le mouvement périodique de contraction du cœur fœtal est difficilement réalisable, nous avons développé une séquence 2D radiale avec angle d'or. Celte séquence, combinée avec un modèle d'acquisition comprimée, permet une réorganisation rétrospective et automatique des données en phases cardiaques. Grâce à cette technique, des images dynamiques du cœur du fœtus ont pu être reconstruites avec de hautes résolutions spatiale et temporelle et sans artefact de mouvement. Dans un but translationnel et grâce à une collaboration interdisciplinaire, nous avons pu comparer les performances de cette nouvelle méthode en IRM avec l'échographie, qui est la modalité de référence. Nos développements permettent non seulement de voir parfaitement l'anatomie et la dynamique du cœur du fœtus en IRM, mais présentent également une excellente corrélation avec les images et les mesures obtenues par échocardiographie.
Dans la seconde étude, nous avons étudié une technique de sélection rétrospective des données afin de supprimer les artefacts dus au mouvement respiratoire. Cette technique a été appliquée à des acquisitions 3D radiales avec angle d'or et auto-naviguées pour l'imagerie des coronaires par résonnance magnétique. L'acquisition a été réalisée chez des patients en respiration libre et chez des volontaires sains dont la respiration a été dirigée afin d'imiter des patients ayant des difficultés respiratoires. En sélectionnant uniquement les données acquises pendant la phase de fin d'expiration, les artefacts de mouvement ont été supprimés de manière notable et une amélioration significative de la visibilité des coronaires a été mesurée.
Dans la troisième étude, nous avons utilisé les connaissances obtenues précédemment pour supprimer les artefacts de mouvements dans le cas de l'imagerie pulmonaire. Nous avons ainsi mesuré une augmentation de la visibilité des vaisseaux dans les poumons. Les résultats préliminaires montrent que l'IRM et le scanner X mènent aux mêmes conclusions chez des patients atteints de mucoviscidose.
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In this thesis, the primary goal was the development of an MRl method that enables the visualization of the beating fetal heart with high temporal and spatial resolution. Initially, the tools necessary to reach that ambitious aim were not available. However, during the course of this thesis, such hurdles were not only overcome but a gold standard comparison of the new fetal MRl method and echography was performed in a truly translational and interdisciplinary effort at the CHUV. In parallel, and since I have obtained in-depth insight into motion phenomena during the developmental phase of this project, methods were developed that do not only benefit fetal cardiac MRI but also cardiovascular MRI or lung imaging in broader tenus. Therefore, and while fetal MRI is at the core of this thesis, two related studies have been added for completeness.
Congénital heart disease in fetuses is commonly diagnosed using echocardiography during pregnancy. However, echocardiography does not always lead to conclusive results and may unfortunately not always sufficiently account for co morbidities. In this context, an alternative modality that is safe, non-invasive and does not require the use of ionizing radiation would be a most welcome addition to the portfolio tools that help make better informed décisions in the management of this precious patient cohort.
MR imaging fulfills these général requirements but ils temporal resolution, ils spatial resolution, and its vulnerability to motion have been rate limiting steps for imaging of the heart in both fetuses and adults. Nevertheless, recent disruptive technology (compressed sensing, radial imaging) has provided new opportunities for MRI and in this thesis, I have exploited and refined such novel approaches to minimize motion sensitivity on the one hand, and to improve temporal and spatial resolution to enable fetal imaging on the other. As a resuit of these efforts, three main studies have been conducted during the course of this PhD thesis:
The first study aimed at testing a new framework adapted to fetal cardiac cine imaging. Since synchronization of the MRI data acquisition to the fetal heartbcat is hardly possible, a 2D radial golden-angle self retro-gated technique with compressed sensing image reconstruction was developed to obtain fetal cardiac cine images with high spatial and temporal resolution and free of motion artifacts. In a translational interdisciplinary collaboration, we have compared the performance of this new fetal MRl approach with the gold standard echography. Our method was not only able to generate outstanding images of the beating fetal heart, but the correlation with echography was also excellent.
ln the second study that was aimed at general motion artifact reduction, we investigated a retrospective gating strategy applied to self-navigated 3D radial golden-angle acquisitions for coronary MR angiography. Data acquisition was performed in free-breathing pa tients and in vol unteers whose breathing was coached d uring the scan to mimic patients with breathi ng irregularity. By excl uding data acquired during large breathing excursi ons, a consi derable red uction of motion artifacts and a significant improvement in vessel conspicuity was obtained.
In the third study, we applied the knowledge gained from the above studies to motion suppressed imaging of the lungs. Indeed, vesse! conspicuity in the lungs improved and initial results suggest that MR and CT lead to similar findi ngs in cystic fibrosis patients.