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AVERTISSEMENT

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Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr

LIENS Code de la PropriŽtŽ Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la PropriŽtŽ Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10

Ecole doctorale IAEM Lorraine

Techniques d'acquisitions et

reconstructions IRM rapides pour améliorer la détection du cancer du sein THESE présentée et soutenue publiquement le 31 mai 2017 (mention automatique) par

Julie POUJOL

Rapporteurs :

M. Lotfi SENHADJI Professeur, Université de Rennes 1, Rennes M. Cédric DE BAZELAIRE Professeur, Université de Paris VII, Paris

Examinateurs :

Mme Isabelle THOMASSIN-NAGGARA Professeur, Université Pierre et Marie Curie, Paris Mme Anne MENINI General Electric Global Research, Munich M. Jacques FELBLINGER Professeur, Université de Lorraine, Nancy (Directeur de thèse) M. Freddy ODILLE Chargé de Recherche, INSERM, Nancy (Co-directeur de thèse)

CHU de Nancy Brabois ʹ Bâtiment recherche

Remerciements

i

REMERCIEMENTS

Quelques mois se sont écoulés depuis ma soutenance de thèse et mon départ du laboratoire IADI avant

laboratoire et la tranquille ville de Nancy pour affronter ce que certains appelleraient la jungle de Paris

comme une véritable expérience de vie, à la fois humaine et professionnelle. Humainement parce que

ma thèse au sein du laboratoire IADI et du CIC-IT de Nancy a été synonyme de rencontres avec des

naître et croître, il est nécessaire de se trouver dans un environnement adéquat et le couple

certaine nostalgie.

Je tenais à remercier en premier mes rapporteurs, Pr. Lotfi Senhadji et Pr. Cédric de Bazelaire ainsi que

mes examinatrices, Dr. Anne Menini et Pr. Isabelle Thomassin-Nagarra, qui m'ont fait l'honneur

d'accepter d'évaluer mon manuscrit et ma soutenance marquant ainsi le point final de ces trois années

et demi à Nancy.

Mes pensées vont ensuite pour mes deux directeurs de thèse, Freddy Odille et Jacques Felblinger, qui

discrètes le soir au laboratoire, lors de mes soirées de travail tardives, ont été réconfortantes surtout

perplexes mais dont je me rends compte maintenant de la pertinence avec le recul de quelques années

quelques semaines de plus le " pourquoi du comment » des artéfacts de mes images lors du

Remerciements

ii voyais pas. mes moindres questions (quitte à me perdre sous des montagnes de bibliographie en remontant le mais toujours avec une bienveillance palpable. Parmi les membres du CIC-IT, je ne cache plus mon

affection particulière pour Fabienne, gardienne de Méthodo, mais surtout un peu aussi ma seconde

plus ou moins faciles de la thèse et de la vie. Je pense aussi avec affection à Caroline, et nos discussions

mettre à disposition pour mes calculs). Et je garde aussi un souvenir marqué de ton attitude pince-

pointu faisait toujours mouche.

Anou et Christophe ʹ je tiens à adresser ma profonde reconnaissance. Chacun à votre manière, et avec

le temps que vous aviez encore à passer au laboratoire IADI au début de ma thèse, vous avez su me

transmettre une part de votre expérience, répondre à mes questions de novice et finaliser de

trois dernières années ʹ André, Antoine, Julie, Thérèse, Jésus, Teresa, ʹ merci pour tous ces bons

moments passés en salle de pause, en congrès et aussi en soirée dans Nancy pour nous sortir la tête

de ces années au laboratoire.

présence calme et rassurante et je te remercie pour les conseils et les mots réconfortants que tu as pu

avoir quand je me posais des questions. Merci aussi pour tous les bons moments passés en dehors du

laboratoire pendant lesquelles notre amitié a continué à se forger.

parmi lesquelles des stagiaires qui ont contribué à égayer quelques-unes de mes journées et je pense

Remerciements

iii

apprentis Marie-Anaïs et Samuel, comme ayant été le moteur de nos soirées qui se sont essoufflées

au fur et à mesure de leur départ du laboratoire.

sont passés par le laboratoire. Anne-Charlotte avec ses athlètes, Charline avec ses lapins, Stéphanie,

recherche en IRM. Merci à Anne-Sophie, dernière interne arrivée au laboratoire pendant ma thèse, un

et Guillaume Oldrini que je remercie pour leur présence tout au long de ma thèse. Sans vous, nous

Merci à Céline, Jessica puis Laura pour tout ce que vous avez fait pour moi pendant cette thèse pour

que le laboratoire.

Aboubaker, Claire L, Claire S, Romain, Marc, Mitchelle, Emilien, Nicolas, Aurélien, Shufang, Lucien,

côtés.

pour avoir été là dans les bons moments comme dans les moments difficiles. Grâce à toi, mes veillées

Résumé

v

RESUME

accès à des paramètres physiologiques spécifiques des lésions.

posteriori de domaines sous-échantillonnés acquis plus rapidement. Des acquisitions sur des objets

les images obtenues par reconstruction classique permettant ainsi le diagnostic conventionnel. Une des reconstructions Compressed Sensing permettant la suppression des artéfacts de sous-

échantillonnage. Ces reconstructions Compressed Sensing ont été développées et testées sur des

fantômes numériques reproduisant des IRMs mammaires. Le potentiel de cette nouvelle acquisition a

enfin été testé sur une lésion artificielle mammaire, développée à cet effet, et reproduisant des prises

de contraste mammaires.

Mots clefs : IRM mammaire, IRM de perfusion, cancer du sein, dépistage, acquisition rapide,

reconstruction Compressed Sensing, suppression de graisse

Abstract

vii

ABSTRACT

Breast cancer is nowadays the first cause of female cancer and the first cause of female death by cancer. Breast MRI is only performed in second intention when other imaging modalities cannot lead to a confident diagnosis. In high risk women population, breast MRI is recommended as an annual

screening tool because of its higher sensitivity to detect breast cancer. Breast MRI needs contrast agent

injection to visualize enhancing lesions and the diagnosis is mostly based on morphological analysis of

these lesions. Therefore, an acquisition with high spatial resolution is needed. Despite the use of conventional MRI acceleration techniques, the volume of data to be acquired remains quite large and the temporal resolution of the exam is around one minute. This low temporal

resolution may be the cause of the low specificity of breast MRI exam. Breast MRI with higher temporal

resolution will allow the use of pharmacokinetic models to access physiological parameters and lesion

specifications.

The main aim of this work is to develop a MRI sequence allowing a flexible use of the acquired data at

the reconstruction stage. On the one hand, the images can be reconstructed with a conventional

reconstruction like the protocol used in clinical routine. On the other hand, the new MRI sequence will

also allow the reconstruction of images with a higher temporal resolution allowing the use of

pharmacokinetic models. The development of this sequence was done by modifying the acquisition order in the Fourier domain. A random acquisition of the Fourier domain will allow the reconstruction of sub-sampled domains

acquired faster. We paid attention to fat suppression efficiency with this new Fourier domain

acquisition order. Tests were performed on phantom, female volunteers and patients. These tests showed that the random acquisition did not impact the quality of images (MRI signal and lesion morphology) obtained by conventional reconstruction thus allowing the conventional diagnosis. The reconstructions of the sub-sampled Fourier domains were made using Compressed Sensing reconstructions to remove sub-sampling artifacts. These reconstructions were developed and tested on digital phantoms reproducing breast MRI. The potential of this new MRI acquisition was tested on an artificial enhancing breast lesion developed especially for this purpose. Keywords: Breast MRI, DCE-MRI, breast cancer, screening, rapid acquisition, Compressed Sensing reconstruction, fat suppression

Liste des figures

ix

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Dessin d'un buste de femme ................................................................................................... 5

Figure 2 : Schéma anatomique du sein ................................................................................................... 5

Figure 3 : Structure arborescente de la glande mammaire .................................................................... 6

Figure 4 : Représentation d'une coupe histologique d'une alvéole vue au microscope ........................ 7

Figure 5 : Dessin d'une alvéole ................................................................................................................ 7

Figure 6 : Schéma d'un lobule mammaire ............................................................................................... 7

Figure 8 : Représentation d'un lobe mammaire ..................................................................................... 8

Figure 9 : Convergence des canaux lactifères vers le mamelon.............................................................. 8

Figure 10 : Convention de repérage du sein - Division en quadrants horaires ....................................... 9

Figure 11 : Réseau artériel irriguant la glande mammaire .................................................................... 10

Figure 12 : Illustration du réseau de Haller ........................................................................................... 11

Figure 13 : Réseau veineux drainant la glande mammaire ................................................................... 11

Figure 14 : Illustration de l'infiltration du réseau lymphatique dans les tissus..................................... 12

Figure 15 : Réseau lymphatique drainant la glande mammaire ........................................................... 13

Figure 16 : Schéma d'un ganglion lymphatique .................................................................................... 14

Figure 17 : Illustration pour la comparaison entre tissu sain, cancer in situ et cancer invasif ............. 18

Figure 18 : Illustrations des différents types de carcinomes affectant le tissu mammaire .................. 19

Figure 20 : Illustration de la complexité du développement d'un cancer et du rôle des mutations

constitutionnelles .................................................................................................................................. 21

Figure 21 : Comparaison des structures d'un réseau vasculaire en condition physiologique (A) et dans

une tumeur (B) ...................................................................................................................................... 23

Figure 22 : Illustration de l'immaturité des vaisseaux tumoraux .......................................................... 23

Figure 23 : Mammographie d'un sein en incidence oblique ................................................................. 27

Figure 24 : Echographie d'un sein ʹ Kyste ............................................................................................. 27

Figure 25 : Schéma du phénomène de résonance ................................................................................ 28

Figure 26 : Patient dans l'IRM - Mise en équilibre du système ............................................................. 29

Figure 27 : Apport d'énergie - Application du champ B1 ...................................................................... 29

Figure 28 : Restitution de l'énergie - Acquisition de l'image IRM ......................................................... 29

Figure 31 : Coupe IRM du crâne avec une séquence pondérée en T1 .................................................. 31

Figure 32 : Coupe IRM du crâne avec une séquence pondérée en T2 .................................................. 31

Figure 33 : Illustration de la précession du spin en présence d'un champ magnétique ....................... 32

Figure 35 : Illustration du phénomène de relaxation après une bascule de 90° .................................. 36

Figure 36 : Illustration de la disparition de la composante transversale et de l'apparition de la

composante longitudinale ..................................................................................................................... 36

mammaire ............................................................................................................................................. 37

Liste des figures

x

Figure 38 : Illustration de la disparition transversale de l'aimantation de la graisse et de la glande

mammaire ............................................................................................................................................. 37

Figure 39 : Image du sein avec une acquisition pondérée T1 .............................................................. 38

Figure 40 : Image du sein avec une acquisition pondérée T2 .............................................................. 38

Figure 41 : Illustration de la macro-circulation ..................................................................................... 39

Figure 42 : Illustration de la micro-circulation et des échanges ........................................................... 39

Figure 43 : Schéma d'un capillaire ......................................................................................................... 40

Figure 44 : Illustration d'un capillaire continu ....................................................................................... 41

Figure 45 : Illustration d'un capillaire fenestré ..................................................................................... 41

Figure 46 : Illustration d'un capillaire discontinu .................................................................................. 41

Figure 47 : Illustration des paramètres de la microcirculation ............................................................. 43

Figure 48 : Schéma illustrant la composition du sang ........................................................................... 45

Figure 49 : Schéma d'une courbe standard de rehaussement tissulaire .............................................. 52

Figure 50 : Modélisation du tissu étudié en compartiments ................................................................ 56

Figure 51 : Visualisation de la veine thoracique interne sur une coupe IRM sagittale de sein ............ 60

Figure 52 : Visualisation des artères et veines thoraciques internes sur une coupe axiale de sein ..... 60

Figure 53 : Schéma du processus de quantification en DCE-IRM .......................................................... 64

Figure 54 : Première image d'une tumeur de sein (entouré en rouge) sur une pièce ex-vivo sans

injection de produit de contraste .......................................................................................................... 67

Figure 55 : Première IRM in-vivo d'une tumeur mammaire sans injection de produit de contraste ... 67

Figure 56 : Illustration d'une IRM 3T General Electric (Source : http://www3.gehealthcare.fr) ......... 69

Figure 57: Photo de la mise en place de la patiente pour l'IRM mammaire ......................................... 69

Figure 58 : Illustration de la différence entre des acquisitions avec une IRM 1.5T (A) et une IRM 3T (B)

............................................................................................................................................................... 70

Figure 60 : Illustration de l'antenne mammaire utilisée ....................................................................... 72

Figure 61 : Illustration du positionnement de la patiente sur l'antenne mammaire ............................ 72

Figure 62 : Protocole d'imagerie utilisé dans notre centre ................................................................... 74

Figure 63 : Acquisition avec une séquence pondérée T1 avec suppression de graisse ......................... 74

Figure 64 : Acquisition avec une séquence pondérée T2 sans saturation de graisse ............................ 74

Figure 65 : Exemple d'une acquisition pondérée T1 pendant l'injection du produit de contraste ....... 75

Figure 67 : Illustration de l'analyse des images soustraites en deux temps ......................................... 77

Figure 68 : Exemple de classification d'un rehaussement massique, description par VPP croissante . 79

Figure 69 : Exemple de région d'intérêt au sein d'une lésion ............................................................... 80

Figure 70 : Courbe de rehaussement exprimée en % associée à la lésion ............................................ 80

Figure 71 : Exemple des trois types de forme de prise de contraste des lésions mammaire ............... 81

Figure 72 : Exemple d'arbre de décision pour un rehaussement massique hors contexte de patiente à

haut risque............................................................................................................................................. 81

Figure 73 : Exemple d'acquisition des extrémités inférieures avec la séquence TWIST ....................... 86

Figure 74 : Illustration du principe du Keyhole et des différentes séquences des constructeurs ........ 87

Figure 75 : Illustration des différentes antennes utilisées .................................................................... 92

Figure 76 : Illustration de la relaxation de l'aimantation de deux tissus A et B après une impulsion de

saturation .............................................................................................................................................. 93

Liste des figures

xi

Figure 77 : Disparition de l'aimantation transversale de deux tissus A et B après une impulsion de

saturation .............................................................................................................................................. 93

Figure 78 : Illustration du codage de phase avant la lecture du signal ................................................. 94

Figure 79 : Illustration du codage en fréquence dans la direction x ..................................................... 95

Figure 80 : Illustration de la dualité entre le domaine image et le domaine de Fourier ...................... 97

Figure 82 : Différentes trajectoires possibles pour le remplissage de l'espace-k ................................. 99

Figure 83 : Diagramme de la séquence VIBRANT ................................................................................ 100

Figure 84 : Illustration de l'influence de l'angle de bascule sur la mise en équilibre dynamique ....... 102

Figure 85 : Exemple d'ordre d'acquisition des lignes de phase de l'espace-k ..................................... 105

Figure 86 : Acquisition linéaire en 2D d'une coupe sagittale d'un sein............................................... 106

Figure 87 : Illustration de la séparation en quatre zones du domaine de Fourier acquis linéairement

............................................................................................................................................................. 106

Figure 88 : Exemple d'une acquisition aléatoire et complémentaire des couples (ky,kz) avec séparation

a posteriori en 4 domaines sous échantillonnés ................................................................................. 107

Figure 89 : Molécule de graisse ........................................................................................................... 111

Figure 90 : Molécule d'eau .................................................................................................................. 111

Figure 91 : Illustration du phénomène de déplacement chimique entre l'eau et la graisse à 3T ....... 112

Figure 92 : Illustration de la saturation de graisse Fat Classique ........................................................ 113

Figure 93 : Illustration de la saturation de graisse SPECIAL ................................................................ 114

Figure 94 : Illustration de la méthode DIXON avec deux temps d'échos ............................................ 116

Figure 95 : Modification du schéma d'acquisition des lignes (ky,kz) ................................................... 120

Figure 96 : Représentation de l'ordre d'acquisition centrique du plan de Fourier lors de l'utilisation de

la méthode de saturation de graisse SPECIAL ..................................................................................... 122

Figure 97 : Représentation de l'acquisition centrique d'un domaine sous-échantillonné ................. 124

Figure 98 : Dessin SolidWorks de la lésion artificielle Diamètre interne sphère creuse : 1 cm .......... 128

Figure 101 : Photo de la lésion artificielle dans la mousse florale et le contenant ............................. 129

Figure 102 : Représentation 3D de l'acquisition IRM du système dans l'antenne mammaire ........... 130

Figure 103 : Coupes IRM centrées sur la lésion artificielle ................................................................. 130

Figure 104 : Illustration du produit de contraste utilisé ..................................................................... 131

Figure 105 : Influence de la position dans l'antenne mammaire sur le signal IRM de l'eau distillée . 132

Figure 106 : Illustration de la méthode employée pour l'obtention de la courbe de calibration du CuSO4

............................................................................................................................................................. 133

Figure 107 : Courbe de calibration de CuSO4 avec la séquence VIBRANT avec suppression de graisse

SPECIAL ................................................................................................................................................ 133

Figure 108 : Courbes théoriques de rehaussement de lésions mammaires, inspirées de Kuhl et al (75)

............................................................................................................................................................. 134

Figure 109 : Schéma du dispositif d'injection connecté à la lésion artificielle utilisant 4 pousses-

seringues et 1 injecteur automatique ................................................................................................. 135

Figure 110 : Illustration de l'injecteur automatique MEDRAD® et du moniteur de contrôle associé 136

Figure 111 : Acquisition IRM de la lésion artificielle lors de la reproduction des prises de contraste

mammaires de type I, II et III ............................................................................................................... 137

Liste des figures

xii

Figure 112 : Débits utilisés pour la reproduction de la prise de contraste de type III avec une résolution

temporelle de 15 secondes ................................................................................................................. 138

Figure 113 : Prise de contraste théorique de la lésion artificielle avec une résolution temporelle de 15

secondes .............................................................................................................................................. 139

Figure 114 : Acquisition sur fantôme avec la séquence VIBRANT et la suppression de graisse SPECIAL

............................................................................................................................................................. 141

Figure 115 : Acquisition sur volontaire avec la séquence VIBRANT clinique (trajectoire linéaire) ..... 143

Figure 116 : Acquisitions sur volontaire avec la séquence VIBRANT modifiée (trajectoire totalement

aléatoire) ............................................................................................................................................. 144

Figure 117 : Acquisition sur volontaire avec la séquence VIBRANT modifiée ..................................... 145

Figure 118 : Courbe de calibration du CuSO4 avec la séquence VIBRANT clinique et modifiée

(Recherche) ......................................................................................................................................... 147

Figure 119 : Protocole d'imagerie utilisé pour l'étude pilote sur patientes ........................................ 148

Figure 120 : Prises de contraste obtenues avec la séquence VIBRANT clinique (cercles noirs) et laquotesdbs_dbs44.pdfusesText_44

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