Imagerie par susceptibilité magnétique appliquée aux seins

101 Pages·2014·14.08 MB·French

UniversitédeMontréal
Imagerieparsusceptibilitémagnétiqueappliquéeauxseins
par
SébastienRochon-Coutu
Départementdephysique
Facultédesartsetdessciences
MémoireprésentéàlaFacultédesétudessupérieures
envuedel’obtentiondugradedeMaîtreèssciences(M.Sc.)
enphysiquemédicale
Décembre,2013
(cid:13)c SébastienRochon-Coutu,2013.
UniversitédeMontréal
Facultédesétudessupérieures
Cemémoireintitulé:
Imagerieparsusceptibilitémagnétiqueappliquéeauxseins
présentépar:
SébastienRochon-Coutu
aétéévaluéparunjurycomposédespersonnessuivantes:
Richard Leonelli, président-rapporteur
Gilles Beaudoin, directeurderecherche
Guillaume Gilbert, codirecteur
Andrea Bianchi, membredujury
Louis-André Hamel, examinateurexterne
Mémoireacceptéle:10Décembre2013
RÉSUMÉ
Lemanuscritsuivantportesurledéveloppementd’uneméthodologiedecartographiede
la susceptibilité magnétique. Cette méthodologie a été appliquée au niveau des seins à
desfinsdedétectiondemicrocalcifications.Afindevalidercesalgorithmes,unfantôme
numériqueainsiqu’unfantômeréelontétécréés.Àl’aidedecesimages,lesparamètres
modifiables de notre méthodologie ont été ajustés. Par la suite, les problèmes reliés à
l’imagerie du sein ont été explorés, tel la présence de gras ainsi que la proximité des
poumons. Finalement, des images in vivo, acquises à 1.5 et 7.0 Tesla ont été analysées
par notre méthodologie. Sur ces images 1.5T, nous avons réussi à observer la présence
demicrocalcifications.D’unautrecôté,lesimages7.0Tnousontpermisdeprésenterun
meilleurcontrastequelesimagesstandardsdemagnitude.
Mots clés: Imagerie par résonance magnétique, seins, cancer, cartographie de
lasusceptibilitémagnétique,détection,microcalcifications,régularisation.
ABSTRACT
Thefollowingmanuscriptisaboutthedevelopmentofamethodologycalledquantitative
susceptibility mapping. This methodology was applied to the breast with the purpose
of detecting microcalcifications. To validate these algorithms, a digital phantom and a
water phantom were created. Using these images, adjustable parameters were adjusted
on our methodology. Thereafter, problems related to breast imaging, like the presence
of fat and the proximity of the lungs, were explored. Finally, in vivo images, acquired
at 1.5 and 7.0 Tesla were analyzed by our methodology. On these 1.5T images, we
successfully observed the presence of microcalcifications. On the other hand, the 7.0T
imagesallowedustoprovideabettercontrastthanthestandardmagnitudeimages.
Keywords: Magnetic resonance imaging, breasts, cancer, quantitative suscepti-
bilitymapping,detection,microcalcification,regularization.
TABLEDESMATIÈRES
RÉSUMÉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
TABLEDESMATIÈRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
LISTEDESTABLEAUX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
LISTEDESFIGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
LISTEDESSIGLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
NOTATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv
DÉDICACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
REMERCIEMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi
CHAPITRE1: INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
CHAPITRE2: THÉORIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 SignalIRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Signalcomplexe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Séquenceéchodegradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Bruitdesimagesdemagnitudeetdephase . . . . . . . . . . . 12
2.2 Susceptibilitémagnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Influencesurlaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Algorithmed’imagerieparsusceptibilitémagnétique . . . . . . . . . . 17
2.3.1 Éliminationdesrepliementsdelaphase . . . . . . . . . . . . . 20
vi
2.3.2 Estimationduchamplocal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.3 Cartographiedelasusceptibilitémagnétique . . . . . . . . . . 23
2.4 Séparationdelagraisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.1 Déphasagechimique delagraisse . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2 Algorithmedeséparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.3 Acquisitionenphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
CHAPITRE3: SIMULATIONNUMÉRIQUE . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
CHAPITRE4: FANTÔMERÉEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.1 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
CHAPITRE5: IMAGESINVIVODESEINSÀ1.5T . . . . . . . . . . . 58
5.1 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.2 Résultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
CHAPITRE6: IMAGESÀ7.0T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.1 MéthodologieetRésultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.2 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
CHAPITRE7: DÉVELOPPEMENTSFUTURS . . . . . . . . . . . . . . 69
7.1 Fantômenumérique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 Séparationdelagraisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.3 Régularisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
vii
7.4 Imagerieinvivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
CHAPITRE8: CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.1 Validationdesalgorithmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.2 Acquisitionsinvivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.3 Développementsfuturs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
BIBLIOGRAPHIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
LISTEDESTABLEAUX
3.I Valeurmoyennedesvoxelsappartenantàdesclassedesusceptibi-
lité non-nulle. Paramètres du fantôme numérique : TE = 23.0 ms,
B0=1.5T.Paramètresderégularisationl1;λ =1.5e−2.Paramètre
derégularisationl2;β =2.0e−4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.II Valeur efficace (RMSD) 3.1 calculée pour les voxels appartenant
àuneclassedesusceptibiliténon-nulle . . . . . . . . . . . . . . 36
4.I Tempsd’échogénérantlemeilleurCNRpourunfantômed’eauet
unfantômenumériqued’unebilledeverreprésentedansunmilieu
homogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
LISTEDESFIGURES
2.1 (a) Alignés selon le champ B , les excès de spins parallèles oscil-
0
lent à la fréquence de Larmor autour de l’axe zˆ. Lorsqu’une onde
RF est appliquée en yˆ (b), la magnétisation bascule vers le plan
transverse (zˆ⊗yˆ = −xˆ). L’angle de nutation de la magnétisation
dépendra du temps d’application et de la puissance de l’onde RF
(c) . Source de l’image : University of Liverpool, thèse de Mike
Puddephat’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 (a) Production d’une force électromotrice par la variation de la
direction du champ magnétique de la magnétisation des spins des
noyauxd’hydrogène.Formedusignalrelatifmesuréparl’antenne
(b) . Source de l’image : University of Liverpool, thèse de Mike
Puddephat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Exemple d’une image de magnitude (a) et d’une image de phase
(a). La région extérieure au crâne est masquée pour la phase car,
telle que présentée par l’équation 2.15, les valeurs de celle-ci ne
sontquedubruitdansunmilieudépourvudesignal(i.e.l’air). . . 10
2.4 Principed’uneacquisitionéchodegradient . . . . . . . . . . . . 11
x
2.5 Ces 4 figures sont une représentation des spins d’une séquence
gradient-écho dans leur référentiel. Après l’application du pulse
R.F.,lamagnétisationtotaleestbasculéedansleplanXY(a).L’ap-
plication d’un gradient G n’affecte pas tous les spins de la même
z
manière, résultant en un déphasage (b). Après un certains temps,
legradientestinversé(c).Lorsquelesdeuxmomentsd’ordrezéro
(produit entre la durée et la force) générés par les gradients de-
viennentégaux,ledéphasagegénéréparlesgradientsdevientnul,
et les spins se remettent en phase (en supposant qu’aucune autre
source de déphasage ne soit présente) (d). Source de l’image :
Functional MRI : Methods and Applications, University of Not-
tingham,thèsedeStuartClare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 Représentationdedeuxeffets(déphasageetdiminutiondusignal)
liés au temps d’écho appliqués sur le CNR. La courbe résultante
atteintsonmaximumlorsqueTE=T2∗ (50msici). . . . . . . . . 15
B
2.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.8 Cartographiedelasusceptibilitémagnétiquesousformed’organi-
gramme, de la réception du signal complexe jusqu’à la résolution
del’équationrégularisée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.9 Déphasagechimique(ppm)desatomesd’hydrogènecomposantla
triglycéride selon leur(s) liaison(s) chimique(s). À titre indicatif,
unatomed’hydrogènenon-liéauraitundéphasagenulalorsqu’un
atome lié à l’oxygène dans une molécule d’eau aurait un dépha-
sage de 4.7 ppm. Source : Separation of Water and Fat Signal in
MagneticResonanceImaging,thèsedeJohanBerglund. . . . . . 28
3.1 Fantômenumériqueàclassesmultiples . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2 Vuesnon-axiales,permettantdevisualiserl’effetdipôle . . . . . 35