Suivi en imagerie par résonance magnétique de la température et des propriétés viscoélastiques des tissus cérébraux dans le cadre des thermothérapies, MRI monitoring of thermometry and viscoelasticity properties of brain tissue in the case of thermotherapy

oN d’ordre: 2011PA112087
Thèse présentée devant l’Université Paris-Sud
pour obtenir
le grade de DOCTEUR EN PHYSIQUE
par Line SOURIS
Laboratoire d’accueil : Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités.
École Doctorale : Sciences et Technologies de l’Information des Télécommunications et des
Systèmes
Titre de la thèse :
Suivi en Imagerie par Résonance Magnétique de la
température et des propriétés viscoélastiques des
tissus cérébraux dans le cadre des thermothérapies
À soutenir le 14 Juin 2011 devant la commission d’examen.
Composition du jury :
Président
Bernard VAN BEERS Professeur
Rapporteurs
Bruno QUESSON Chargé de recherche
Rémy WILLINGER Professeur
Examinateur
Emmanuel BROUILLET Directeur de recherche
Luc DARRASSE de (Directeur de thèse)
tel-00630658, version 1 - 10 Oct 2011tel-00630658, version 1 - 10 Oct 2011Résumé
Mon travail de thèse se place dans le cadre du projet ANR TUCCIRM de développement d’un
système de thérapie par ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) dédié au cerveau implantable
dans un IRM clinique 1,5 T. Les développements IRM ont été l’objet de mon travail.
Dans un premier temps, l’IRM a été utilisée pour suivre l’évolution en température des tissus en
cours de traitement. Pour cela, nous avons tout d’abord réalisé une étude d’optimisation et de com-
paraison de séquences de thermométrie basées sur le principe du décalage chimique (PRFS). Puis,
nous avons optimiser le rapport signal sur bruit pour améliorer la qualité des images ainsi que la
précision en température. Ces développements ont été appliqués au cours de tests HIFU suivi par
IRM de têtes de cadavres humains.
Dans un deuxième temps, l’IRM a été utilisée pour caractériser la viscoélasticité des tissus céré-
braux par la technique d’élastograhie par résonance magnétique. Ces propriétés changeant avec la
température, cette méthode permettrait de suivre l’état des tissus pendant le traitement HIFU pour
en déterminer l’effet thermique. Dans ce contexte, nous avons développé un nouveau concept de
générateur d’onde, testé ensuite sur six rat in vivo.
Abstract
My Ph.D. work is a part of the ANR TUCCIRM project, which consist in developing a treat-
ment system dedicated to the brain using High Intensity Focalized Ultrasound (HIFU) usable with
clinical 1.5T MRI. My work was mainly focus to MRI development.
During the first part of my work, we used the MRI to observe the evolution of the temperature of tis-
sue inside the brain during the ultrasound treatment. Firstly, based on the chemical shift principle,
we perform an optimization study and thermometric sequence comparison. Then an optimization
of the signal-to-noise ratio has been realized to improve the image quality and then the temperature
measurement precision. This development has been used during HIFU test on human head corpse
following the evolution of the temperature with MRI.
In a second part, MRI was used to characterize the viscoelasticity of brain tissue using elastogra-
phy by magnetic resonances. These properties are evolving with the temperature, so this method
should allow following tissue state during HIFU treatment to determine temperature effect on brain
tissue. For that purposes we develop a new concept of wave generator, witch has been tested on 6
rats in vivo.
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tel-00630658, version 1 - 10 Oct 20114
tel-00630658, version 1 - 10 Oct 2011Table des matières
I Les thérapies anti-cancéreuses associant dispositif de traitement et ap-
pareil d’imagerie 13
1 L’imagerie au service de nouvelles radiothérapies 17
1.1 La Radiothérapie Conformationnelle avec Modulation d’Intensité (RCMI) . . . . . 18
1.2 La Guidée par l’Image (RTGI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 Les systèmes de RTGI volumiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2 Le dispositif de RTGI planaire, le système robotisé Cyberknife . . . . . . . 24
1.2.3 La radiothérapie stéréotaxique, le Couteau Gamma . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.4 La per-opératoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 La chirurgie guidée par l’image 29
2.1 Le guidage par l’imagerie nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.1 Les compteurs de radioactivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.1.2 Les imageurs gamma miniaturisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2 L’imagerie optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Le guidage par IRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Les thermothérapies guidées par l’image 37
3.1 La thermothérapie basse température, la cryothérapie . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Les thermothérapies hautes températures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.1 Actions de la chaleur sur les constituants tissulaires . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.2 La thermothérapie par radiofréquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.3 La par micro-ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.4 La laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.5 La thermothérapie par ultrasons focalisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5
tel-00630658, version 1 - 10 Oct 2011Table des matières
3.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
II Thermométrie par Imagerie par Résonance Magnétique pour la thé-
rapie par ultrasons focalisés des tumeurs cérébrales 45
4 L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) 49
4.1 Les principes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 Le spin nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.2 La fréquence de Larmor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.3 La Résonance Magnétique Nucléaire, RMN . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.4 Enregistrement du signal d’induction libre . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2 Du codage spatial de l’objet à la formation de son image . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.1 Codage spatial du signal par l’utilisation de gradients de champ magné-
tique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2.2 De l’espace K à l’image 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3 Séquences d’écho de gradient et d’écho de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1 Séquence d’écho de gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.2 d’écho de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5 Les paramètres de résonance magnétique sensibles à la température 65
5.1 La densité de proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Le temps de relaxation longitudinale des protons de l’eau, T . . . . . . . . . . . . 661
5.3 Le temps de transversale des protons de l’eau, T . . . . . . . . . . . . . 672
5.4 Le transfert d’aimantation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.5 Le coefficient de diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.6 Le décalage chimique, Fréquence de Résonance des Protons (PRF) . . . . . . . . 69
6 Thermométrie basée sur la PRF, comparaison de trois séquences 73
6.1 Les séquences d’écho de gradient avec destruction de l’aimantation résiduelle étu-
diées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
6.1.1 T -FFE standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751
6.1.2 T -FFE EPI segmentée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761
6.1.3 T -FFE ES EPI segmentée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 761
6.2 Caractérisation des séquences sur fantôme d’Agar-Agar . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2.2 Caractéristiques du gel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
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tel-00630658, version 1 - 10 Oct 2011Table des matières
6.2.3 Correction de la ligne de base (drift) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.4 Traitement des données pour la mesure de température . . . . . . . . . . . 84
6.2.5 Optimisation des séquences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.6 Acquisition d’une élévation de température . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2.7 Précision en température des séquences .