Développements de méthodes d'acquisition et de traitement du signal robustes aux défauts du

97 Pages·2017·2.24 MB·French

by  Alejandro Bordelois Boizán

Développements de méthodes d’acquisition et de
traitement du signal robustes aux défauts du champ
magnétique pour la spectroscopie localisée par RMN
Alejandro Bordelois Boizán
To cite this version:
Alejandro Bordelois Boizán. Développements de méthodes d’acquisition et de traitement du signal
robustes aux défauts du champ magnétique pour la spectroscopie localisée par RMN. Traitement du
signal et de l’image [eess.SP]. Université Rennes 1, 2013. Français. ￿NNT: 2013REN1S066￿. ￿tel-
00914306￿
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Table des matiŁres
Introduction 3
1 (cid:201)tat de l’art 5
1.1 Le signal de RØsonance MagnØtique NuclØaire . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 SØquences d’imagerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 SØquence d’impulsions FLASH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2 SØquence d’impulsions TrueFISP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 SØquences de spectroscopie localisØe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 La sØquence PRESS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 La sØquence CSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2.1 Correction du dØcalage de demi-voxel . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3 Organisation d’une sØquence de spectroscopie . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.4 Module de suppression du signal de l’eau. . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 MØthodes d’identi(cid:28)cation et de quanti(cid:28)cation des donnØes spectrales . . . . 16
1.5 Les dØfauts du champ magnØtique. La susceptibilitØ magnØtique . . . . . . 18
1.5.1 Simulations des dØfauts du champ magnØtique . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.2 In(cid:29)uence des dØfauts champs sur la quanti(cid:28)cation . . . . . . . . . . . 20
1.6 Corrections des dØfauts classiques du champ magnØtique . . . . . . . . . . . 20
1.7 Cartographie du champ magnØtique B(cid:126) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
0
1.7.1 Acquisition par spectroscopie localisØe . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.7.2 Acquisition par images de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.7.3 AcquisitiondesartefactsdechampmagnØtiquedelasØquenceTrueFisp 24
1.8 Spectroscopie sur des objets-test et in vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 DØveloppement d’outils spØci(cid:28)ques 27
2.1 Simulations des spectres : Introduction de dØfauts du champ magnØtique . . 27
2.2 Le Rapport Signal sur Bruit (RSB) dans la simulation . . . . . . . . . . . . 29
2.3 SØlection de la mØthode de cartographie du champ magnØtique . . . . . . . 30
2.3.1 MØthodes numØriques et confrontation (cid:224) l’expØrience . . . . . . . . . 30
2.3.2 Artefacts de champ magnØtique de la sØquence TrueFISP . . . . . . 32
2.3.3 Imagerie spectroscopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Conception d’objets test modulaires pour la spectroscopie . . . . . . . . . . 35
3 MØthode de correction mono-voxel 37
3.1 La mØthode de correction mono-voxel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 La fonction et le coe(cid:30)cient de conservation du signal . . . . . . . . . 38
3.1.2 Approches classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
1
2 TABLE DES MATI¨RES
3.2 Solution pour un gradient linØaire du champ magnØtique . . . . . . . . . . . 40
3.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.1 MatØriel et mØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Validation expØrimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.1 MatØriel et mØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 L’extrapolation (cid:224) d’autres formes du dØfaut de champ magnØtique . . . . . 49
4 MØthode SCLIN 51
4.1 La mØthode SCLIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.1 ConsidØration sur la localisation du signal . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.2 Correction des dØfaut du champ magnØtique . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.3 Correction 1/2 voxel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.1 MatØriel et mØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Applications sur objets-test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.1 MatØriel et mØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 MØthode Moves-CSI 63
5.1 MØthode Moves-CSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.1 Optimisation de la sØquence CSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.1.2 Reconstruction du spectre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.1.3 Le RSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.1 MatØriels et mØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.1.1 Simulations sans dØfaut de champ magnØtique . . . . . . . 69
5.2.1.2 Simulations avec dØfauts de champ magnØtique . . . . . . . 69
5.2.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.2.1 Simulations sans dØfaut de champ magnØtique . . . . . . . 71
5.2.2.2 Simulations avec dØfauts de champ magnØtique . . . . . . . 73
5.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3 Applications dans un objet test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3.1 MatØriels et mØthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Conclusion 79
Annexes 81
Bibliographie 91
Introduction
La spectroscopie localisØe par RØsonance MagnØtique NuclØaire (RMN) a de nombreuses
applications in vivo, car cette technique permet l’Øtude des mØtabolites endogŁnes. Gr(cid:226)ce
(cid:224) l’utilisation de sØquences d’impulsions spØci(cid:28)ques, il est possible d’acquØrir le spectre de
RMN dans un volume bien dØ(cid:28)ni appelØ le volume d’intØrŒt (VOI de son sigle en anglais,
qui sera utilisØ dans la suite du document). Ce VOI peut Œtre placØ librement (cid:224) l’intØrieur
de l’objet d’Øtude, et sa taille modi(cid:28)Øe sans rØaliser aucune modi(cid:28)cation matØrielle.
Ene(cid:27)et,onpeutobtenirlespectretotald’unVOIparl’utilisationdesØquencesmono-voxel,
telle que la sØquence PRESS, pour Point REsolved SpectroScopy. Mais il est aussi possible
d’obtenir dans le mŒme VOI la distribution spatiale des mØtabolites d’intØrŒt en utilisant
des sØquences multi-voxels, telle que la sØquence CSI, pour Chemical Shift Imaging. Ces
sØquences multi-voxels augmentent l’information obtenue, mais au dØtriment du temps
d’acquisition ou du rapport signal sur bruit (RSB).
D’autre part, une trŁs bonne uniformitØ spatiale du champ magnØtique est requise dans les
ØtudesdeRMNengØnØral,etc’estØgalementlecasdelaspectroscopielocalisØe.IdØalement
on espŁre avoir un champ parfaitement homogŁne, alors que dans la rØalitØ, les dØfauts
de champ magnØtique sont toujours prØsents. La seule introduction de l’Øchantillon dans
le champ B(cid:126) perturbe ce champ magnØtique, en fonction de la susceptibilitØ magnØtique
0
propredel’Øchantillon[1,2].CesdØfautsdechampmagnØtiqueØtantdonctoujoursprØsents
dans l’Øchantillon, des systŁmes de bobines et des mØthodes de compensation du champ
magnØtique [3], ont ØtØ con(cid:231)us pour rØduire ces dØfauts au minimum. Ces protocoles de
correction augmentent encore la durØe de l’examen mais restent souvent insu(cid:30)sants.
Cette thŁse, composØe de cinq chapitres, explore dans ce contexte diverses voies
d’amØlioration des donnØes de spectroscopie. Le premier chapitre est dØdiØ (cid:224) l’Øtat de l’art
et apporte les ØlØments thØoriques nØcessaires (cid:224) la comprØhension de la suite du manuscrit,
en particulier sur les sØquences d’imagerie et de spectroscopie utilisØes et les di(cid:27)Ørentes
mØthodes de cartographies du champ magnØtique testØes.
Le deuxiŁme chapitre dØcrit les mØthodes de simulation que nous proposons, ainsi que
la vØri(cid:28)cation et l’optimisation des protocoles expØrimentaux. Les trois chapitres suivants
(troisiŁme,quatriŁmeetcinquiŁmechapitres)correspondentchacun(cid:224)unenouvellemØthode
dØveloppØe pendant ce travail de thŁse. Ces mØthodes ont ØtØ validØes par simulation puis
par l’acquisition de donnØes rØelles sur objet-test.
La premiŁre mØthode, prØsentØe dans le chapitre 3, est une mØthode de correction de
spectre mono-voxel. Cette mØthode prend en compte les dØfauts du champ magnØtique
3
4 INTRODUCTION
pour corriger les pertes de cohØrence du signal.
La mØthode SCLIN, est prØsentØe dans le chapitre 4. C’est une mØthode de reconstruction
pourl’imageriespectroscopique(CSI)s’appuyantsurlarØsolutiond’unsystŁmed’Øquations
linØaires au lieu de la transformation inverse de Fourier utilisØe habituellement. Cette
modi(cid:28)cation permet (cid:224) notre mØthode de prendre en compte les dØfauts du champ
magnØtique local, le dØcalage de demi-voxel (dØcalage spatial dß aux discrØtisations de
l’espace) ainsi que les contraintes spatiales (la localisation) du signal.
La mØthode Moves-CSI est dØtaillØe dans le chapitre 5. Elle constitue la mØthode la plus
complŁtedØveloppØedurantcetravaildethŁse.Ici,nousproposonsderemplacerlasØquence
d’acquisition PRESS par une sØquence CSI. Cette mØthode trouve son utilitØ dans le
cas d’un RSB trop faible pour permettre la quanti(cid:28)cation des signaux des mØtabolites
dans chacun des voxels individuels de l’image CSI. Notre mØthode Moves-CSI prØsente
Øgalement un intØrŒt lorsque les dØfauts du champ magnØtique sont importants dans le
VOI de l’acquisition mono-voxel de type PRESS.
Chapitre 1
(cid:201)tat de l’art
Dans ce chapitre, aprŁs une brŁve description du signal de RMN, nous dØcrivons
les sØquences d’imagerie adaptØes (cid:224) la mesure rapide du champ magnØtique dans les
applications in vivo. Il s’agit des sØquences FLASH et TrueFISP. Les sØquences de
spectroscopie, particuliŁrement les sØquences d’impulsions PRESS et CSI, sont ensuite
prØsentØes. Nous discuterons Øgalement des mØthodes de quanti(cid:28)cation utilisØes pour le
traitement des donnØes spectrales.
1.1 Le signal de RØsonance MagnØtique NuclØaire
LesignaldeRØsonanceMagnØtiqueNuclØaire(RMN)rØsultedel’interactionentrelechamp
magnØtiqueprincipaletlemomentmagnØtiquedunoyaud’intØrŒt.LethØorŁmedeLarmor
stipule que la vitesse de prØcession angulaire du spin (ω ) dØpend de l’intensitØ du champ
0
magnØtique (B(cid:126) ) et du noyau selon la relation :
0
ω = γ¯·|B(cid:126) | (1.1)
0 0
oø γ¯ est le rapport gyromagnØtique et est propre (cid:224) chaque noyau (dans la suite nous
exprimons ce rapport gyromagnØtique en Hz/T soit par exemple pour le proton : γ¯ =
42,5767MHz/T). En e(cid:27)et, toute la RMN est Øtroitement liØe (cid:224) l’intensitØ du champ
magnØtique prØsente dans l’Øchantillon.
D’autre part, le signal de prØcession libre idØal mesurØ aprŁs l’application d’une impulsion
radio frØquence (RF), supposant un champ magnØtique homogŁne, est :
FID(t) = A·e−T2t ·eω0·t·i (1.2)
oø A est l’amplitude du signal de rØsonance, et T est le temps de relaxation transversale.
2
Cette expression est donnØe dans le domaine temporel. L’application de la transformation
inverse de Fourier permet d’obtenir son Øquivalent dans l’espace frØquentiel, c’est-(cid:224)-dire le
5
6 CHAPITRE 1. (cid:201)TAT DE L’ART
spectre, qui est :
A·T (cid:18)A·(ω −ω)·(T )2(cid:19)
2 0 2
FID(ω) = + i (1.3)
1+(ω −ω)2(T )2 1+(ω −ω)2(T )2
0 2 0 2
La plupart des mØthodes de quanti(cid:28)cation utilisent seulement la partie rØelle du spectre
(lorsque les rØsonances ont une phase nulle, comme c’est le cas ci-dessus). L’Øquation de
cette partie rØelle correspond (cid:224) un pic lorentzien de largeur (cid:224) mi-hauteur de 2/(πT ).
2
1.2 SØquences d’imagerie
Les images de RMN sont obtenues (cid:224) partir du signal des protons provenant principalement
de l’eau ou de la graisse. L’acquisition des images de RMN est caractØrisØe par un
ensembledeparamŁtresd’acquisitionajustables,telsqueletempsd’Øcho(TE),letempsde
rØpØtition (TR), ou l’angle de basculement des impulsions radiofrØquence. Les paramŁtres
d’acquisition sont prØcisØment ajustØs en optimisant plusieurs critŁres de qualitØ tels que
le contraste et le rapport signal sur bruit (RSB). Le contraste est une expression de
la di(cid:27)Ørenciation de diverses structures anatomiques dans l’image, et le RSB traduit la
qualitØ de l’image en comparant le signal provenant des structures d’intØrŒt au bruit
inØvitable dans toute mesure physique. A partir de ces images peuvent Œtre dØterminØes
indirectement d’autres paramŁtres quantitatifs (un traitement des donnØes est nØcessaire
pourlesdØterminer),telsquelestempsderelaxationlongitudinale(T )ettransversale(T ).
1 2
Pour obtenir ces informations indirectes, habituellement plusieurs images sont requises,
obtenues avec des combinaisons di(cid:27)Ørentes des paramŁtres d’acquisition.
Les sØquences d’imagerie sont utilisØes dans les Øtudes de spectroscopie pour obtenir des
images anatomiques de rØfØrence permettant le positionnement du voxel (ou ensemble de
voxels, selon le type d’Øtude) dans le VOI.
Pour les applications in vivo, le temps d’acquisition est un paramŁtre dØterminant, (cid:224)
cause de l’immobilisation d’organismes vivants. En consØquence, de toutes les techniques
d’imagerie disponibles, nous avons dirigØ notre choix vers les sØquences rapides qui
fournissent un bon RSB par unitØ du temps. De plus, ces sØquences ont ØtØ optimisØes
pour rØduire le temps d’acquisition au minimum, sans perte de la prØcision nØcessaire (cid:224) la
mesure.
Quelque soit la sØquence d’imagerie, pour rØduire le temps d’acquisition il est nØcessaire de
rØduire le nombre d’accumulations, ou le nombre d’acquisitions de l’espace k, ou encore
de rØduire le temps de rØpØtition de la sØquence. Le nombre d’accumulations est le
nombre de fois oø est rØpØtØe l’expØrience pour gagner en RSB. Si l’image de rØfØrence
est uniquement utilisØe pour placer le VOI de la spectroscopie (cid:224) rØaliser, le RSB obtenu
en une seule accumulation est gØnØralement su(cid:30)sant. Par contre pour dØterminer des
paramŁtres quantitatifs supplØmentaires (comme le T , le T ou le champ magnØtique),
1 2
il est alors nØcessaire d’augmenter le nombre d’accumulations pour augmenter le RSB.
L’augmentationdunombred’accumulationsimpliquel’amØliorationduRSB,maisimplique
aussi l’augmentation de la durØe d’acquisition [4].
1.2. S(cid:201)QUENCES D’IMAGERIE 7
FLASH TrueFisp
Figure 1.1: Images obtenues pour une sphŁre d’eau avec les sØquences d’impulsion FLASH et
TrueFISP.Pourl’imageTrueFISP,onobservelesartefactsdus(cid:224)lavariationduchampmagnØtique,
ce qui se traduit par des oscillations de l’amplitude du signal alors qu’il devrait normalement Œtre
constant pour cet objet-test homogŁne.
D’autrepart,larØductiondunombredepoints(oud’ØchantillonnagesØlectif)dansl’espace
k entra(cid:238)ne aussi la rØduction du RSB de l’image, il s’agit malgrØ tout d’une option
intØressante (cid:224) condition que le RSB soit su(cid:30)sant pour l’Øtude.
La rØduction du temps de rØpØtition a des consØquences sur le contraste de l’image, les
moments magnØtiques sont excitØs continuellement par des impulsions rØpØtØes avec une
pØriode TR courte devant le T ou le T . Donc, ils ne peuvent pas retourner (cid:224) leur rØgime
1 2
d’Øquilibre initial, ils tendent alors vers un rØgime d’Øquilibre dit dynamique. Ce sont les
mØthodes de type SSFP (Steady-State Free Precession)[5].
D’aprŁs l’Øtude des sØquences d’acquisition rapide, et puisque notre travail est principa-
lement liØ (cid:224) la cartographie du champ magnØtique, nous avons utilisØ des sØquences qui
permettent une reconstruction des cartes du champ magnØtique de l’Øchantillon aprŁs l’ac-
quisition du signal. Avec ces deux critŁres, deux techniques d’imagerie SSFP ont ØtØ utili-
sØes : les sØquences d’impulsions FLASH (Fast Low Angle Shot)[6, 7, 8] et TrueFISP (True
Fast Imaging with Steady state Precession)[9, 5, 10, 11, 12, 13, 14]. Les images reprØsenta-
tives que nous avons obtenues (cid:224) partir de ces deux sØquences sont prØsentØes dans la (cid:28)gure
1.1.
1.2.1 SØquence d’impulsions FLASH
La sØquence d’impulsions FLASH [6, 7, 8] est une sØquence rapide, en rØgime d’Øquilibre
dynamique, utilisant de petits angles de basculement del’aimantation. Pour cette mØthode
le signal est obtenu (cid:224) partir de l’Øcho de gradient. La (cid:28)gure 1.2 dØtaille le chronogramme
de la sØquence d’impulsions FLASH.
L’utilisationdespetitsanglesdebasculementpermetd’optimiserlasensibilitØetderØduire
le temps de rØpØtition. Une impulsion 90(cid:176) (prise comme rØfØrence) bascule entiŁrement
l’aimantation longitudinale dans le plan transversal, et crØe une aimantation transversale
8 CHAPITRE 1. (cid:201)TAT DE L’ART
α α
RF
I I
Gx
III
Gy
II
Gz
II
ACQ
TE
TR
Figure 1.2: Chronogramme de la sØquence d’impulsions FLASH 2D. Les impulsions RF (α) et
les gradients (I) se combinent pour rØaliser l’excitation d’un plan. Les impulsions de gradients (II)
constituent le gradient bipolaire utilisØ pour gØnØrer l’Øcho gradient. Cette deuxiŁme impulsion est
utilisØe aussi comme gradient de lecture, et code la position en frØquence. L’impulsion de gradient
variable(III)rØaliselecodagedelapositiondansl’espacek dutroisiŁmeaxe(codageparlaphase).
maximale. Cependant, lorsque l’excitation est rØpØtØe rapidement par rapport au T ,
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l’aimantation transversale crØØe par chaque impulsion 90(cid:176) est petite car l’aimantation
longitudinalen’aplusletempsdeserØtablir.L’intØrŒtd’uneimpulsiond’excitationdepetit
angle (<90(cid:176)) est de conserver aprŁs chaque excitation une grande partie de l’aimantation
longitudinale, tout en projetant une partie importante de l’aimantation dans le plan
transversal. La rØduction de l’angle de basculement implique la rØduction de la durØe et/ou
de l’amplitude de l’impulsion RF. De mŒme que la rØduction de la durØe de cette impulsion
rØduit le temps nØcessaire pour chaque cycle de codage, autrement dit, permet l’utilisation
des TR plus courts.
Pourconserverlemodestandarddecodagespatialetd’acquisitiondesdonnØes(cecisigni(cid:28)e
coder un axe de l’image en frØquence avec un gradient de lecture, et l’autre axe de l’image
en phase avec un gradient de phase), la sØquence d’impulsion FLASH utilise un Øcho de
gradient au lieu de l’Øcho de spin. Pour gØnØrer un Øcho de gradient, deux impulsions
consØcutives de gradient opposØes avec la mŒme surface e(cid:27)ective (cette combinaison de
gradients est appelØe aussi gradient bipolaire) sont nØcessaires. La (cid:28)gure 1.3 prØsente le
principe d’un gradient bipolaire.
1.2.2 SØquence d’impulsions TrueFISP
La seconde sØquence d’imagerie abordØe est la TrueFISP [9, 5, 10, 11, 12, 13, 14].
C’est Øgalement une sØquence rapide, en rØgime d’Øquilibre dynamique. La caractØristique
distinctive de cette sØquence est l’artefact de dØfauts du champ magnØtique, qui s’exprime
comme une attØnuation sØlective de l’intensitØ du signal dans l’image (voir la (cid:28)gure 1.1).
La prØsence frØquente de ces artefacts limite l’utilisation de cette sØquence qui par ailleurs
procure un excellent RSB par unitØ de temps. Ainsi le besoin constant de rØduire le temps
d’expØrimentation et l’amØlioration de l’homogØnØitØ de champ magnØtique, font que la
sØquence TrueFISP devient de plus en plus utilisØe.