Evaluation of voxel-based analysis in stroke using multiparametric MR imaging
Évaluation d'une analyse voxel à voxel dans l'accident vasculaire cérébral à partir d'images IRM multiparamétriques
Résumé
Stroke is the leading cause of disability in adults. Beyond the narrow time window and possible risks of thrombolysis and mechanical thrombectomy, cell-therapies have strong potential. Reports showed that transplanted stem cells can enhance functional recovery after ischemic stroke in rodent models.To assess the mechanisms underlying the cell-therapy benefit after stroke, imaging is necessary. Multiparametric magnetic resonance imaging (MRI), including diffusion-weighted imaging (DWI) and perfusion-weighted imaging (PWI), has become the gold standard to evaluate stroke characteristics. MRI also plays an important role in the monitoring of cerebral tissue following stroke from the acute to the chronic phase. However, the spatial heterogeneity of each stroke lesion and its dynamic reorganization over time, which may be related to the effect of a therapy, remain a challenge for traditional image analysis techniques. To evaluate the effect of new therapeutic strategies, spatial and temporal lesion heterogeneities need to be more accurately characterized and quantified.The current image analysis techniques, based on mean values obtained from regions of interest (ROIs), hide the intralesional heterogeneity. Histogram-based techniques provide an evaluation of lesion heterogeneity but fail to yield spatial information. The parametric response map (PRM) is an alternative, voxel-based analysis technique, which has been established in oncology as a promising tool to better investigate parametric changes over time at the voxel level which concern the therapeutic response or prognosis of disease.The PhD project was divided into two parts: a preclinical and a clinical study. The goal of the first study was to evaluate the PRM analysis using MRI data collected after the intravenous injection of human mesenchymal stem cells (hMSCs) in an experimental stroke model. The apparent diffusion coefficient (ADC), cerebral blood volume (CBV) and vessel size index (VSI) were mapped using 7T MRI. Two analytic procedures, the standard whole-lesion approach and the PRM, were performed on data collected at 4 time points in transient middle cerebral artery occlusion (MCAo) models treated with either hMSC or vehicle and in sham animals. During the second PhD project, 6 MR parametric maps (diffusion and perfusion maps) were collected in 30 stroke patients (the ISIS / HERMES clinical trial). MRI data, analyzed with both a classic mean value and a PRM approaches, were correlated with the evaluation of functional recovery after stroke measured with the National Institutes of Health Stroke Scale (NIHSS) and the modified Rankin Scale (mRS) at 4 time points.In both studies, PRM analysis of MR parametric maps reveals fine changes of the lesion induced by a cell therapy (preclincal study) and correlate with long-term prognosis (clinical study).In conclusion, the PRM analysis could be used as an imaging biomarker of therapeutic efficacy and of prognostic biomarker of stroke patients.
L'accident vasculaire cérébral (AVC) est la principale cause de handicap acquis chez l'adulte. Au-delà de l'étroite fenêtre thérapeutique et des risques éventuels de la thrombolyse et de la thrombectomie mécanique, la thérapie cellulaire par cellules souches présente un fort potentiel. Plusieurs études ont montré que les cellules souches transplantées peuvent améliorer la récupération fonctionnelle après un AVC sur des modèles de rongeurs. L’imagerie multiparamétrique par résonance magnétique (IRM), qui inclue l'imagerie de diffusion et de perfusion, est aujourd’hui le protocole standard pour caractériser l'AVC. L'imagerie permet également de suivre in vivo les mécanismes sous-jacents de la thérapie cellulaire après un AVC de la phase aigüe à la phase chronique. Cependant, la quantification de l'hétérogénéité spatiale des lésions, clairement visible par IRM, reste un défi à l'heure actuelle. En effet, les techniques d'analyses d'images utilisées en routine sont basées sur le calcul des valeurs moyennes à partir de régions d'intérêts (ROI). Cette technique par ROI ne peut pas refléter l'hétérogénéité intra-lésionnelle. C'est pourquoi, de nouvelles stratégies d'analyses d'images doivent être développées et évaluées afin de quantifier l'hétérogénéité des lésions ischémiques mais aussi pour suivre l'évolution de cette hétérogénéité au cours du temps. Des approches utilisant des analyses par histogramme permettent d'évaluer l'hétérogénéité des lésions mais perdent l'information spatiale. Une alternative est l'utilisation d'une analyse d'image à l'échelle du voxel appelée "Parametric Response Map (PRM)". Cet outil a été décrit comme plus sensible que l'analyse par ROI dans le pronostic mais aussi dans le suivi thérapeutique chez des patients porteurs de tumeurs cérébrales ou encore atteints d'hémorragies cérébrales.Mon projet de thèse est divisé en deux parties: une étude préclinique chez le rat et une étude clinique (projet ISIS / HERMES). La première partie de ma thèse vise à évaluer les changements physiopathologiques mesurés par l'IRM après un traitement par cellules souches mésenchymateuses humaines (CSMh) sur un modèle d'AVC chez le rat. Des animaux présentant une occlusion transitoire de l'artère cérébrale moyenne (oACM) ou non (Sham) ont été traités ou non par une injection de CSMh. Au cours de cette étude, différents paramètres IRM ont été cartographiés en utilisant une IRM 7T (4 temps d'imagerie): le coefficient apparent de diffusion (ADC), le volume sanguin cérébral (CBV) et l'indice de taille des vaisseaux (VSI). Les cartes d'ADC, CBV et VSI ont été analysées en utilisant l'approche classique par ROI mais aussi par PRM. L'objectif de cette étude était de déterminer si l'analyse par PRM était capable de détecter plus précocement l'effet des CSMh que l'analyse par ROI. Durant la seconde partie de ma thèse, 6 paramètres IRM (imagerie de diffusion et de perfusion) ont été acquis chez 30 patients AVC. Les données IRM, analysées par valeur moyenne classique et par PRM, ont été corrélées avec des évaluations de la récupération fonctionnelle : le score NIHSS (National Institutes of Health Stroke Score) et l'échelle de Rankin modifiée (mRS) mesurés à différents temps post-ischémie. L’analyse PRM des cartes paramétriques IRM révèle des changements fins de la lésion et corrèle avec le pronostic à long terme après l’ischémie.En conclusion, la PRM pourrait être utilisée comme biomarqueur d’efficacité thérapeutique (combinaison d’images IRM et d’outils innovants d’analyse d'images) et comme biomarqueur pronostique des patients AVC.
Origine : Version validée par le jury (STAR)