Methodological MRI developments to measure cerebral perfusion
Développements méthodologiques en IRM pour la mesure de perfusion cérébrale
Résumé
This work focuses on acquisition techniques and physiological models that allow characterization of cerebral perfusion by MRI. The arterial input function (AIF), on which many models are based, is measured by a technique of optical imaging at the carotid artery in rats. The reproducibility and repeatability of the AIF are discussed and a model function is proposed. Then we compare two techniques for measuring the vessel size index (VSI) in rats bearing a glioma. The reference technique, using a USPIO contrast agent (CA), faces the dynamic approach that estimates this parameter during the passage of a bolus of Gd. This last technique has the advantage of being used clinically. The results obtained at 4.7 T by both approaches are similar and use of VSI in clinical protocols is strongly encouraged at high field. The mechanisms involved (R1 and R2* relaxivities) were then studied using a multi gradient -echoes approach. A multi-echoes spiral sequence is developed and a method that allows the refocusing between each echo is presented. This sequence is used to characterize the impact of R1 effects during the passage of two successive injections of Gd. Finally, we developed a tool for simulating the NMR signal on a 2D geometry taking into account the permeability of the BBB and the CA diffusion in the interstitial space. At short TE, the effect of diffusion on the signal is negligible. In contrast, the effects of diffusion and permeability may be separated at long echo time. Finally we show that during the extravasation of the CA, the local magnetic field homogenization due to the decrease of the magnetic susceptibility difference at vascular interfaces is quickly balanced by the perturbations induced by the increase of the magnetic susceptibility difference at the cellular interfaces in the extravascular compartment.
Ce travail s'attache tout autant à améliorer les techniques d'acquisition qu'à préciser les modèles physiologiques qui permettent la caractérisation de la perfusion cérébrale en IRM. La fonction d'entrée artérielle (AIF), sur laquelle repose de nombreux modèles, a été mesurée par une technique d'imagerie optique au niveau de la carotide chez le rat. La reproductibilité et la répétabilité de l'AIF sont examinées et une fonction modèle est proposée. Nous comparons ensuite deux techniques de mesure de l'index de taille des vaisseaux (VSI) chez le rat porteur d'un gliome. La technique de référence, utilisant un agent de contraste (AC) de type USPIO, est confrontée à l'approche dynamique qui estime ce paramètre au passage d'un bolus de Gd. Cette dernière technique présente l'avantage d'être utilisée en clinique. Les résultats obtenus à 4,7T par ces deux approches sont semblables et l'utilisation du VSI dans les protocoles cliniques est fortement encouragée à haut champ. Les mécanismes en jeu (relaxivités R1 et R2*) sont alors étudiés via une approche en multi-échos de gradient. Une séquence spirale multi-échos est développée et une méthode qui permet la refocalisation entre chaque écho est présentée. Cette séquence est utilisée pour caractériser l'impact des effets R1 au passage de deux injections successives de Gd. Enfin, nous avons développé un outil de simulant le signal RMN sur une géométrie 2D tenant compte de la perméabilité de la BHE et de la diffusion de l'AC dans l'espace interstitiel. A TE court, l'effet de la diffusion sur le signal est négligeable. A contrario, les effets de la diffusion et la perméabilité semblent pouvoir être séparés à temps d'écho long. Enfin nous montrons que, lors de l'extravasation de l'AC, l'homogénéisation du champ magnétique local lié à la baisse de différence de susceptibilité magnétique à l'interface vasculaire est rapidement contre balancée par les perturbations induites par les interfaces cellulaires du compartiment extravasculaire.
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