Optimizing the contrast-to-noise ratio per unit of time of clinical MR sequences : an optimal control approach
Optimisation du contraste à bruit par unité de temps dans les séquences d'IRM cliniques : une approche par contrôle optimal
Résumé
Obtaining contrasts of interest in MRI involves either optimizing the acquisition parameters (TR, TE, flip angle) or adding a magnetization preparation composed of a sequence of pulses and gradients. These allow improving the contrast between tissues characterized by their relaxation times T1 and T2. These are often simple preparations. In practice, determining the preparation optimal within a clinical sequence in order to achieve the best contrast between target tissues is a complex problem. Recently control algorithms applied to Bloch's equations propose to determine the best radiofrequency field to guide the magnetization to a target state. In this context, the objective of this thesis was to develop strategies for optimizing the preparation of magnetization in the clinical sequence MP-RAGE and to prove the interest new preparation schemes. This sequence has the advantage of allowing flexible contrasts in a reduced acquisition time but proves to be complex to model due to the formation of a stationary state on the longitudinal component of magnetization. The optimized sequences have been experimentally validated at 11.7T in vitro and in vivo in rat brain. The optimized sequences notably allowed improving the contrast between the corpus callosum and the cortex in order to carry out a study longitudinal analysis of demyelination in a rat model of multiple sclerosis. Of the implementations of the preparation and acquisition scheme at 3T (Magnetom Vida, Siemens Healthineers, Erlangen) allowed contrasts on healthy brain comparable to DIR-FSE (double inversion recovery fast spin echo) or to the sequence FGATIR (Fast Gray Matter Acquisition T1 Inversion Recovery). Finally, proof of concept on healthy pelvis as well as maps of relaxation time on patients with rectal cancer treated with radiotherapy have made possible to provide methodological basis necessary to propose an optimized sequence that meets the contrast problems encountered in this clinical case.
L’obtention de contrastes d’intérêt en IRM passe soit par l’optimisation des paramètres d’acquisition (TR, TE, angle de bascule) soit par l’ajout d’une préparation d’aimantation composée d’une suite d’impulsions et de gradients. Celles-ci permettent d’améliorer le contraste entre des tissus caractérisés par leurs temps de relaxation T1 et T2. Ce sont souvent des préparations simples. En pratique, déterminer la préparation optimale au sein d’une séquence clinique afin d’atteindre le meilleur contraste entre des tissus cibles est un problème complexe. Récemment des algorithmes de contrôle optimal appliqués aux équations de Bloch proposent de déterminer le meilleur champ radiofréquence afin de guider l’aimantation vers un état cible. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse a été de développer des stratégies d’optimisation de préparation d’aimantation dans la séquence clinique MP-RAGE et de prouver l’intérêt des nouveaux schémas de préparation. Cette séquence a l’avantage de permettre des contrastes flexibles en un temps d’acquisition réduit mais se révèle complexe à modéliser du fait de la formation d’un état stationnaire sur la composante longitudinale de l’aimantation. Les séquences optimisées ont été validées expérimentalement à 11.7T in vitro et in vivo sur cerveau de rat. Les séquences optimisées ont notamment permis d’améliorer le contraste entre le corps calleux et le cortex afin de réaliser une étude longitudinale de la démyélinisation chez un modèle de rat de sclérose en plaques. Des implémentations du schéma de préparation et d’acquisition à 3T (Magnetom Vida, Siemens Healthineers, Erlangen) ont permis des contrastes sur cerveau sain comparables à la DIR-FSE (double inversion recovery fast spin echo) ou à la séquence FGATIR (Fast Gray Matter Acquisition T1 Inversion Recovery). Enfin, une preuve de concept sur pelvis sain ainsi que des cartographies de temps de relaxation sur patients atteints de cancer du rectum traités par radiothérapie ont permis de fournir des bases méthodologiques nécessaires pour proposer une séquence optimisée qui réponde aux problèmes de contrastes rencontrés dans ce cas clinique.
Domaines
Imagerie médicale
Origine : Version validée par le jury (STAR)