Exploiting sparse spectrum to accelerate spiral magnetic resonance spectroscopic imaging : method, simulation and applications to the functional exploration of skeletal muscle
Exploiter la parcimonie des spectres pour accélérer l'imagerie spectroscopique spirale par résonance magnétique : méthode, simulation et applications à l'exploration fonctionnelle du muscle squelettique
Résumé
Quantifying energetic muscular metabolism and mitochondrial capacity are of crucial interest to reveal muscular disorders, metabolic diseases or cardiovascular diseases like mitochondrial myopathy, diabetes or peripheral arthery diseases. 31P spectroscopy is a non-invasive way to monitor energetic metabolism and dynamic concentrations of 31P during exercise or after during recovery, and provides informations on mitochondrial and oxidative capacity. The assessment of energetic metabolism via 31P spectroscopy can be done with non-localized spectroscopy, single voxel selection spectroscopy and Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging (MRSI). In clinical practice, mostly non localized 31P spectroscopy is done, preventing metabolic information from different individual muscles to be measured, but an average information resulting from the whole muscle and collected at once by the surface coil used for the experiment. The use of localized 31P spectroscopy would enable to access spatially resolved information and motivate the development of new home made sequences integrating the most advanced technical developments. Magnetic resonance Chemical shift Spectroscopic Imaging (CSI) available in clinical systems have very long acquisition time that limits their clinical use to static acquisition, while this is essentially the capacity to measure 31P dynamically during an exercise protocol that is of interest. The methodological developments on MRSI realized In the context of this thesis, aimed precisely at reducing the acquisition time and in view of some clinical applications. A fast MRSI acquisition method has thus been developed involving a non-Cartesian k-space Sampling (spiral sampling), coupled to a smart under-sampling of the temporal dimension, exploiting a priori known spectral support and a least-square estimation for signal reconstruction. This method has been validated using simulations, and implemented in a MR scanner, optimized and then tested in vivo on the calf muscle for 1H and 31P MRSI applications. Dynamic 31P applications were also performed at 3T and the use of the under-sampled CSI_spiral MRSI developed sequence has been shown to adequately reveal the expected dynamic changes in PCr. Quantification of the signal further enable us to access mitochondrial capacity, with a twice higher dynamic temporal resolution compared to the fully sampled CSI_spiral MRSI case, and similar temporal resolution as the non-localized classically used MRS sequence. Those developments are of crucial interest for a spatially resolved assessment of mitochondrial capacity within different muscles, i.e. to point out individual muscle alterations related to specific damages or differences between muscle energy consumption during the exercise. Sequence improvements on 1D localized 31P spectroscopy were also integrated in the clinical sequence and used in an on-going clinical protocol; in order, in the long term, to apply the sequence developments carried out during this thesis to a clinical context. First tested on safe volunteers for reproducibility, the protocol involves patients that suffer from lower leg arteriopathy. The objective was to assess mitochondrial capacity of those patients before and after a revascularization of the damaged artery. Results showed significant improvement in mitochondrial capacity after revascularization
La quantification du métabolisme musculaire énergétique et de la capacité mitochondriale est d'un intérêt crucial pour étudier les troubles musculaires, les maladies métaboliques ou cardiovasculaires comme la myopathie mitochondriale, le diabète ou les maladies artérielles périphériques. La spectroscopie 31P est un moyen non invasif de monitorer le métabolisme énergétique et les concentrations dynamiques de métabolites phosphorylés pendant ou après un exercice et fournit des informations sur la capacité mitochondriale et oxydative du muscle squelettique. L'évaluation du métabolisme énergétique par spectroscopie 31P peut se faire par spectroscopie non localisée, spectroscopie monovoxel et imagerie spectroscopique par résonance magnétique (MRSI). Dans la pratique clinique, la spectroscopie 31P non localisée est généralement réalisée, ce qui empêche de mesurer les informations métaboliques de différents muscles individuellement, et une information moyenne résultant du muscle entier est collectée en une seule fois par la bobine de surface utilisée pour l'expérience. L'utilisation de la spectroscopie 31P localisée permettrait d'accéder à des informations spatialement résolues et de motiver le développement de nouvelles séquences intégrant les développements techniques les plus avancés. L'imagerie spectroscopique par résonance magnétique (ISRM) disponible dans les systèmes cliniques a un temps d'acquisition très long qui limite son utilisation clinique à l'acquisition statique, alors que ce qui est d’intérêt est essentiellement la capacité à mesurer dynamiquement les variations de concentration des métabolites phosphorylés au cours d’un protocole d'exercice. Les développements méthodologiques sur l’ISRM réalisés dans le cadre de cette thèse, se sont attaqués précisément à réduire le temps d'acquisition, en vue d’applications cliniques. Une méthode d'acquisition ISRM rapide a donc été développée, impliquant un échantillonnage non cartésien dans l'espace k (échantillonnage en spirale), couplé à un sous-échantillonnage intelligent de la dimension temporelle, exploitant la connaissance a priori de la parcimonie du support spectral et une estimation par moindres carrés pour la reconstruction du signal. Cette méthode a été validée à l'aide de simulations et mise en œuvre dans un système IRM, optimisée puis testée in vivo sur le muscle du mollet pour des applications ISRM 1H et 31P. Des applications dynamiques 31P ont également été réalisées à 3T et l'utilisation de la séquence sous-échantillonnée CSI spiral développée a montré qu'elle était capable de révéler les changements dynamiques attendus dans le PCr. La quantification du signal nous a permis en outre d'accéder à la capacité mitochondriale, avec une résolution temporelle dynamique deux fois supérieure à celle du cas ISRM spiral avec échantillonnage régulier, et une résolution temporelle similaire à celle de l’ISRM non localisée utilisée conventionnellement. Ces développements sont d'un intérêt crucial pour une évaluation spatialement résolue de la capacité mitochondriale au sein de différents muscles ; c'est-à-dire pour mettre en évidence des altérations musculaires individuelles liées à des dommages spécifiques ou des différences de consommation d'énergie entre les différents chefs musculaires pendant l'exercice. Des améliorations de séquence sur la spectroscopie 31P localisée 1D ont également été intégrées dans un protocole clinique en cours, afin, à terme, d’appliquer les développements de séquence réalisés pendant cette thèse à un contexte clinique. D'abord testé sur des volontaires sains pour la reproductibilité, le protocole implique des patients qui souffrent d'artériopathie de la jambe inférieure. L'objectif était d'évaluer la capacité mitochondriale de ces patients avant et après une revascularisation de l'artère endommagée. Les résultats ont montré une amélioration significative de la capacité mitochondriale après revascularisation
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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