Magnetic resonance imaging is utilized as an important tool in radiation oncology for delineation of healthy and cancerous tissues, and evaluating the functionality of those tissues, structures, and organs. Currently, the clinical imaging protocol at Virginia Commonwealth University includes anatomical imaging for tissue and structure delineation, and to observe treatment induced changes. Diffusion weighted imaging (DWI) is also acquired for calculation of apparent diffusion coefficient (ADC) values to provide quantitative information on tissue diffusivity and microstructure. However, anatomical images and ADC values may not display the true extent of changes in tissue. This work seeks to further utilize the capabilities of MRI and expand its role in treatment response monitoring for liver cancer patients treated with stereotactic body radiotherapy (SBRT). To do so, an imaging protocol and image analysis methodology to evaluate treatment changes on pre- and post-treatment image sets was developed. An extension of DWI, termed intravoxel incoherent motion (IVIM) imaging, was utilized to quantitatively assess levels of perfusion and diffusion within the liver and tumor. Acquisition of high-quality diffusion weighted images of the liver necessitated the development of an MR safe respiratory motion management device, which was designed, constructed and evaluated in this work. An imaging protocol was developed providing anatomical and functional images of the liver, acquired under breath hold, utilizing the respiratory motion management device. An IVIM parameter calculation and texture analysis workflow was developed using MATLAB, and applied to acquired data sets from multiple studies, including past clinical cases, investigator, healthy volunteer, and liver cancer patient . Differences in IVIM and texture analysis parameters were investigated for healthy and diseased tissue, and for select dose regions from pre- and post-treatment imaging sessions. Significant differences, at a voxel level, were found between healthy and diseased tissue, and pre- and post-treatment volumes, for multiple parameters, including apparent diffusion coefficient, pure diffusion, and perfusion, as well as for various texture features. Overall, this study showed the potential of IVIM and texture analysis to be used for discriminating between healthy and diseased tissues in the liver, and for indication of treatment response.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医科学) / 甲第23117号 / 医科博第128号 / 新制||医科||8(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医科学専攻 / (主査)教授 花川 隆, 教授 中本 裕士, 教授 溝脇 尚志 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

L’accident vasculaire cérébral ischémique (AVCi) représente un véritable enjeu de santé publique avec des taux de mortalité et des coûts de prise en charge élevés. L’établissement d’un diagnostic rapide et précis basé sur les signes cliniques et les résultats de l’imagerie médicale est nécessaire pour la prise de décision thérapeutique (thrombolyse ou plus récemment la thrombectomie mécanique). Conformément aux recommandations actuelles, l’IRM est la modalité d’imagerie de première intention à réaliser pour confirmer la suspicion d’AVCi. La réalisation d’une thrombolyse est notamment guidée par l’existence d’une discordance (ou « mismatch ») diffusion-perfusion, déterminée à partir de deux séquences distinctes, associée à un meilleur pronostic pour le patient. La séquence IVIM (« Intravoxel Incoherent Motion») permet l’étude simultanée de la diffusion et de la microcirculation à partir de l’analyse biexponentielle du signal issu d’une unique séquence de diffusion sensibilisée à la perfusion. Par conséquent, cette séquence présente un fort potentiel pour le diagnostic de l’AVCi. Le travail méthodologique de cette thèse a consisté en l’optimisation des acquisitions et des traitements de données pour l’imagerie quantitative simultanée de la diffusion et de la perfusion cérébrale avec la méthode IVIM. Dans un premier temps, le modèle biophysique conventionnel et les acquisitions de la séquence IVIM ont été validés dans le cadre d’une étude sur sujet sain, en comparaison aux mesures de perfusion obtenues avec l’ASL (Arterial Spin Labeling). Dans un deuxième temps, le modèle conventionnel a été modifié pour la prise en compte du comportement non-gaussien de la diffusion dans le parenchyme cérébral à l’aide d’un paramètre quantitatif supplémentaire, le kurtosis (modèle DKI-IVIM). Ce modèle a été validé expérimentalement avec une étude sur sujet sain en comparaison au modèle standard biexponentiel IVIM. Enfin, la méthodologie développée a été mise en œuvre dans un cadre clinique sur cinq patients souffrant d’AVCi. Les résultats préliminaires obtenus démontrent l’efficacité de la méthode DKI-IVIM pour le diagnostic de l’AVCi en phase aigüe, en comparaison avec la méthode conventionnelle diffusion-perfusion ASL avec l’estimation du paramètre supplémentaire du kurtosis permettant une meilleure caractérisation de l’atteinte parenchymateuse. / Ischemic stroke is a serious neurological disease of public health concern that constitutes a major cause of death and high costs of medical care. A quick and accurate diagnosis based on both clinical signs and medical images is necessary for the therapeutic decision (thrombolysis or mechanical thrombectomy). In accordance with the current recommendations, MRI is the primary intention modality to perform in order to confirm the ischemic stroke suspicion. The choice of a thrombolysis treatment is guided by the presence of a diffusion-perfusion mismatch, determined with two different sequences, and is associated with a better life outcome for the patient. The IVIM (« Intravoxel Incoherent Motion ») MRI sequence allows for the simultaneous diffusion and microperfusion quantification with the biexponential analysis of the diffusion signal obtained by a diffusion sequence sensitized to perfusion. This sequence could be of great interest for the ischemic stroke diagnosis. The methodological aspects implemented during this thesis consisted of the optimization of the acquisitions and data processing of IVIM imaging for quantitative assesments of cerebral diffusion and perfusion. First of all, the conventional biophysical model and IVIM sequence acquisitions were implemented and validated with a study on healthy subjects, in comparison with perfusion assesments obtained using ASL (Arterial Spin Labeling). Secondly, the conventional model was modified to consider the non-gaussian diffusion behavior in tissues with an additional quantitative parameter estimation, the kurtosis (DKI-IVIM model). This new model was also validated with a study on healthy subjects in comparison with the standard biexponential IVIM model. Finally, this method was applied in a clinical setting on five stroke patients. The preliminary results demonstrated the DKI-IVIM method efficiency for the acute ischemic stroke diagnosis when compared with the conventional diffusion-ASL perfusion with the additional estimation of the kurtosis for a better lesion characterization.

Introduction : L’angiogenèse tumorale conduit au développement de nouveaux vaisseaux destinés à permettre la croissance de la tumeur. Les vaisseaux tumoraux sont caractérisés notamment par des anomalies des cellules murales (cellules musculaires périvasculaires), responsables d’anomalies de la fonctionnalité et de la maturation. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié un modèle tumoral de thérapie cellulaire par injection de cellules murales en IRM et vidéomicroscopie de fluorescence. Matériels et méthodes : Notre étude a porté sur un modèle sous cutané de carcinome épidermoïde chez la souris nude. Les animaux étaient divisés en trois groupes : contrôle (n=17), contrôle négatif (n=16) et « traité » avec injection locale de cellules murales humaines (n=17). Les animaux bénéficiaient d’une IRM et d’une exploration par vidéomicroscopie avant (J7) et après traitement (J14). Les paramètres mesurés étaient la taille tumorale (pied-à-coulisse et IRM), la densité microvasculaire (DMV par IRM, vidéomicroscopie et histologie), l’ADC, f, Dr et D* (IRM de diffusion), les variations de R2* sous air, oxygène et carbogène (IRM par effet BOLD) et « l’index leakage » (reflétant la perméabilité capillaire, en vidéomicroscopie). Résultats : Lors de la croissance tumorale, le groupe contrôle a montré une diminution des vaisseaux circulants (ou fonctionnels) qui se reflétait par une diminution du D* et du R2* sous air, une perte de la capacité à répondre au carbogène qui se reflétait par une augmentation du delta R2* sous carbogène, et une augmentation de la perméabilité capillaire qui se traduisait par un « index leakage » plus élevé. Dans le groupe traité par injection de cellules murales, nous avons observé un ralentissement de la croissance tumorale et une stabilisation de ces paramètres de microcirculation et maturation vasculaire. Conclusion : Nous avons montré un effet biologique de notre thérapie cellulaire par injection locale de cellules murales qui se traduisait par un ralentissement de la croissance tumorale, une stabilisation de l’hémodynamique microcirculatoire et de la maturation, et une perméabilité capillaire diminuée, concordants avec l’effet présumé stabilisateur et normalisateur des cellules murales sur les microvaisseaux. / Introduction : Tumor angiogenesis leads to the development of new vessels enabling the growth of the tumor. Tumor vessels are characterized by abnormalities including mural cells (perivascular muscular cells) responsible for abnormal vessel function and maturation. In this thesis, we studied cellular therapy in a tumor model by injection of mural cells using MRI and fluorescence videomicroscopy. Materiels and methods: Nude mice were injected with squamous cell TC1 tumors and animals were divided in three groups: control (n=17), sham control (n=16) and treated by local injection of human mural cells (n=17). Animals underwent MRI and videomicroscopy before (D7) and after (D14) treatment. Measured parameters included tumor size (caliper and MRI), microvessels density (MVD using MRI, videomicroscopy and pathology), ADC, f, Dr, D* (diffusion MRI), R2* variations under air, oxygen and carbogen (BOLD MRI), and ‘index leakage’ (reflecting capillary permeability, using videomicroscopy). Results: During tumor growth, the control group showed a decrease in circulating (or functional) vessels reflected by a decrease in D* and R2* under air, the loss of vessel ability to respond to carbogen reflected by an increase of the delta R2* under carbogen, and increased capillary permeability resulting in a higher ”index leakage”. In the group treated by injection of mural cells, we observed a slowing of tumor growth and stabilization of these parameters of microcirculation and vessel maturation. Conclusion : Therapy by local injection of mural cells was effective resulting in slower tumor growth, stabilization of microcirculatory hemodynamics and maturation, and decreased capillary permeability, consistent with the alleged ‘stabilizing’ and ‘normalizing’ effects of mural cells on microvessels.

L’insuffisance placentaire par défaut de vascularisation est une pathologie fréquente de la grossesse, de diagnostic difficile, avec des complications potentiellement graves (retard de croissance intra utérin, prééclampsie). L’objectif de ce travail de Thèse a été de développer l’IRM fonctionnelle multiparamétrique pour l’exploration du placenta à 4.7 T chez la rate gestante. Matériel et méthode : L’IRM de diffusion (SE- EPI DWI) avec analyse IVIM et l’IRM dynamique avec injection de gadolinium (DCE) et haute résolution temporelle (< 1s) ont été développées puis étudiées sur un modèle murin contrôlé d’hypoperfusion placentaire par ligature du pédicule vasculaire utérin gauche au 17ème jour de gestation. Les paramètres obtenus sur les placentas hypoperfusés de la corne gauche ligaturée étaient comparés à ceux des placentas normaux de la corne droite. L’effet de l’hyperoxygénation maternelle était étudié en diffusion. Résultats : Ont été étudiés 73 placentas, dont 23 pathologiques (n= 10 rates) en diffusion et 53 placentas, dont 11 pathologiques (n=12 rates) en DCE. Les paramètres significativement diminués du côté hypoperfusé étaient le coefficient apparent de diffusion (ADC), la fraction de perfusion (f) en diffusion et le flux sanguin maternel (F) en DCE. Sous hyperoxygénation maternelle, l’ADC et le coefficient de diffusion (D) augmentaient et f diminuait. Les paramètres obtenus en diffusion et en DCE n’étaient pas nettement corrélés entre eux. Conclusion : Un outil d’IRM fonctionnelle placentaire multiparamétrique a été développé à 4.7 T chez la rate gestante. La DWI comme la DCE apparaissent complémentaires pour le diagnostic d’hypoperfusion placentaire. / Placental insufficiency caused by deficient vascularization is common during pregnancy, difficult to diagnose and can lead to severe materno-fetal complications (intrauterine growth restriction, preeclampsia). The aim of this work was to develop multi-parametric functional magnetic resonance imaging (MRI) to assess the placenta at 4.7 T on a murine model. Materials and methods : Diffusion-weighted imaging (SE-EPI-DWI) with the intravoxel incoherent motion (IVIM) analysis and dynamic contrast enhanced MRI (DCE) with a high-time resolution (<1 s) were developed and evaluated on a controlled rat model of reduced placental perfusion, achieved by ligation of the left uterine vascular pedicle on the 17th embryonic day. Parameters from the placentas in the left ligated horn were compared to those from the normal placentas in the non ligated horn. The effect of maternal hyperoxygenation on placental microvascularization was studied with DWI.Results: For DWI, 73 placentas were examined, 23 from the ligated side (n=10 rats). For DCE, 53 placentas were analysed, 11 from the ligated side (n=12 rats). In the uterine horn with reduced perfusion, the apparent diffusion coefficient (ADC), the perfusion fraction (f) obtained with DWI and the placental blood flow (F) obtained with DCE were significantly decreased. Under maternal hyperoxygenation, ADC and the diffusion coefficient (D) increased whereas f decreased. DWI and DCE parameters were not significantly correlated with each other. Conclusion: Multi-parametric MRI has been developed for murine placental analysis at 4.7T. DWI and DCE are complementary tools for the diagnosis of reduced placental perfusion.

Introduction : L'angiogenèse tumorale conduit au développement de nouveaux vaisseaux destinés à permettre la croissance de la tumeur. Les vaisseaux tumoraux sont caractérisés notamment par des anomalies des cellules murales (cellules musculaires périvasculaires), responsables d'anomalies de la fonctionnalité et de la maturation. Dans ce travail de thèse, nous avons étudié un modèle tumoral de thérapie cellulaire par injection de cellules murales en IRM et vidéomicroscopie de fluorescence. Matériels et méthodes : Notre étude a porté sur un modèle sous cutané de carcinome épidermoïde chez la souris nude. Les animaux étaient divisés en trois groupes : contrôle (n=17), contrôle négatif (n=16) et " traité " avec injection locale de cellules murales humaines (n=17). Les animaux bénéficiaient d'une IRM et d'une exploration par vidéomicroscopie avant (J7) et après traitement (J14). Les paramètres mesurés étaient la taille tumorale (pied-à-coulisse et IRM), la densité microvasculaire (DMV par IRM, vidéomicroscopie et histologie), l'ADC, f, Dr et D* (IRM de diffusion), les variations de R2* sous air, oxygène et carbogène (IRM par effet BOLD) et " l'index leakage " (reflétant la perméabilité capillaire, en vidéomicroscopie). Résultats : Lors de la croissance tumorale, le groupe contrôle a montré une diminution des vaisseaux circulants (ou fonctionnels) qui se reflétait par une diminution du D* et du R2* sous air, une perte de la capacité à répondre au carbogène qui se reflétait par une augmentation du delta R2* sous carbogène, et une augmentation de la perméabilité capillaire qui se traduisait par un " index leakage " plus élevé. Dans le groupe traité par injection de cellules murales, nous avons observé un ralentissement de la croissance tumorale et une stabilisation de ces paramètres de microcirculation et maturation vasculaire. Conclusion : Nous avons montré un effet biologique de notre thérapie cellulaire par injection locale de cellules murales qui se traduisait par un ralentissement de la croissance tumorale, une stabilisation de l'hémodynamique microcirculatoire et de la maturation, et une perméabilité capillaire diminuée, concordants avec l'effet présumé stabilisateur et normalisateur des cellules murales sur les microvaisseaux.

Placental function is central for normal pregnancy and in many of the major pregnancy disorders. We used magnetic resonance imaging techniques to investigate placental function in normal pregnancy, in early and late preeclampsia and in intrauterine growth restriction. We also investigated maternal body mass index and height, as risk factors for preeclampsia. A high body mass index and a short maternal stature increase the risk of preeclampsia, of all severities. The association seems especially strong between short stature and early preeclampsia, and a high body mass index and late preeclampsia. (Study I) Using diffusion-weighted magnetic resonance imaging, we found that the placental perfusion fraction decreases with increasing gestational age in normal pregnancy. Also, the placental perfusion fraction is smaller in early preeclampsia, and larger in late preeclampsia, compared with normal pregnancies. That these differences are in opposite directions, suggests that there are differences in the underlying pathophysiology of early and late preeclampsia. (Study II) Using magnetic resonance spectroscopy, we found that the phosphodiester spectral intensity fraction and the phosphodiester/phosphomonoester spectral intensity ratio increases with increasing gestational age. Also, we found that the phosphodiester spectral intensity fraction and the phosphodiester/phosphomonoester spectral intensity ratio are higher in early preeclampsia, compared with early normal pregnancy. These findings indicate increased apoptosis with increasing gestational age in normal pregnancy, and increased apoptosis in early preeclampsia. (Study III) The placental perfusion fraction is smaller in intrauterine growth restriction than in normal pregnancy. Fetal growth, Doppler blood flow in maternal and fetal vessels, infant birth weight and plasma markers of placental function are all correlated to the placental perfusion fraction. The placental perfusion fraction examination seems therefore to offer a fast, direct estimate of the degree of placental dysfunction. (Study IV) In conclusion: Our findings in studies I-III all support the hypothesis of partly different pathophysiology between early and late preeclampsia, and suggest a strong link between early preeclampsia and placental dysfunction. Study IV shows that the placental perfusion fraction has potential to contribute to the clinical assessment of placental dysfunction.

L'Imagerie par Résonance Magnétique pondérée en Diffusion (IRM-D) permet l'accès à l'information structurelle des tissus au travers de la lecture du mouvement brownien des molécules d'eau. Ses applications sont nombreuses en imagerie cérébrale, tant en milieu clinique qu'en recherche. Néanmoins le mouvement physiologique créé une perte de signal supplémentaire au cours de l'encodage de la diffusion. Cette perte de signal liée au mouvement limite les applications de l'IRM-D quant à l'imagerie cardiaque. L'utilisation de faibles valeurs de pondération (b) réduit cette sensibilité mais permet seulement l'imagerie du mouvement incohérent intra-voxel (IVIM) qui contient la circulation sanguine et la diffusion des molécules d'eau. L'imagerie IVIM possède pourtant de nombreuses applications en IRM de l'abdomen, depuis la caractérisation tissulaire à la quantification de la perfusion, mais reste inexplorée pour l'imagerie du coeur. Mon travail de thèse correspond à l'évaluation des conditions d'application de l'IRM-D à faibles valeurs de b pour le coeur humain, afin de proposer des contributions méthodologiques et d'appliquer les techniques développées expérimentalement. Nous avons identifié le mouvement cardiaque comme une des sources majeures de perte de signal. Bien que le mouvement global puisse être corrigé par un recalage non-rigide, la perte de signal induite par le mouvement perdure et empêche l'analyse précise par IRM-D du myocarde. L'étude de cette perte de signal chez un volontaire a fourni une fenêtre temporelle durable où le mouvement cardiaque est au minimum en diastole. Au sein de cette fenêtre optimale, la fluctuation de l'intensité atteste d'un mouvement variable résiduel. Une solution de répéter les acquisitions avec un déclenchement décalé dans le temps permet la capture des minimas du mouvement, c.-à-d. des maximas d'intensité en IRM-D. La projection du maximum d'intensité dans le temps (TMIP) permet ensuite de récupérer des images pondérées en diffusion avec un minimum de perte de signal lié au mouvement. Nous avons développé et évalué différentes séquences d'acquisition combinées avec TMIP : la séquence d'imagerie écho-planaire classique par écho de spin (SE-EPI) peut être adaptée mais souffre du repliement d'image ; une séquence Carr-Purcell-Meiboom-Gill combinée avec une préparation d'encodage de diffusion est plus robuste aux distorsions spatiales mais des artefacts de bandes noires empêchent son applicabilité ; finalement une séquence double-SE-EPI compensant les courants de Foucault et pleinement optimisée produit des images IRM-D moins artefactées. Avec cette séquence, l'IRM-D-TMIP permet la réduction significative de la perte de signal liée au mouvement pour l'imagerie cardiaque pondérée en diffusion. L'inconvénient avec TMIP vient de l'amplification du bruit positif d'intensité. Afin de compenser cette sensibilité du TMIP, nous séparons le bruit d'intensité des fluctuations lentes liées au mouvement grâce à une nouvelle approche basée sur l'analyse en composantes principales (PCA). La décomposition préserve les détails anatomiques tout en augmentant les rapports signal et contraste-à-bruit (SNR, CNR). Avec l'IRM-D-PCATMIP, nous augmentons à la fois l'intensité finale et la qualité d'image (SNR) en théorie et expérimentalement. Les bénéfices ont été quantifiés en simulation avant d'être validés sur des volontaires. De plus la technique a montré des résultats reproductibles sur des patients post-infarctus aigue du myocarde, avec un contraste cohérent avec la position et l'étendue de la zone pathologique. Contrairement à l'imagerie cérébrale, l'imagerie IRM-D par faibles valeurs de pondération in vivo doit être différentiée des analyses IRM-D ex-vivo. Ainsi l'IRM-D-PCATMIP offre une technique sans injection pour l'exploration du myocarde par imagerie IVIM. Les premiers résultats sont encourageants pour envisager l'application sur un modèle expérimental d'une maladie cardiovasculaire [etc...] / Diffusion weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI, or DWI) enables the access to the structural information of body tissues through the reading of water molecules Brownian motion. Its applications are many in brain imaging, from clinical practice to research. However physiological motion induces an additional signal-loss when diffusion encoding is applied. This motion-induced signal-loss limits greatly its applications in cardiac imaging. Using low diffusion-weighting values (b) DWI reduces this sensitivity but permits only the imaging of intravoxel incoherent motion (IVIM), which combines both water diffusion and perfusion. IVIM imaging has many applications in body MRI, from tissue characterization to perfusion quantification but remains unexplored for the imaging of the heart. The purpose of this work was to evaluate the context of low b-values DWI imaging of the heart, propose methodological contributions and then apply the developed techniques experimentally. We identified cardiac motion as one of the major sources of motion-induced signal loss. Although bulk motion can be corrected with a non-rigid registration algorithm, additional signal-loss remains uncorrected for and prevents accurate DWI of the myocardium. The study of diffusion-weighted signal-loss induced by cardiac motion in a volunteer provided a time-window when motion is at minimum in diastole. Within this optimal time-window, fluctuation of intensity attests of variable remaining physiological motion. A solution to repeat acquisition with shifted trigger-times ease the capture of motion amplitude minima, i.e. DWI-intensity maxima. Temporal maximum intensity projection (TMIP) finally retrieves diffusion weighted images of minimal motion-induced signal-loss. We evaluated various attempts of sequence development with TMIP: usual spin-echo echo-planar imaging (se-EPI) sequence can be improved but suffers aliasing issues; a balanced steady-state free-precession (b-SSFP) combined with a diffusion preparation is more robust to spatial distortions but typical banding artifacts prevent its applicability; finally a state-of-the-art double-spin-echo EPI sequence produces less artifacted DWI results. With this sequence, TMIP-DWI proves to significantly reduce motion-induced signal-loss in the imaging of the myocardium. The drawback with TMIP comes from noise spikes that can easily be highlighted. To compensate for TMIP noise sensitivity, we separated noise spikes from smooth fluctuation of intensity using a novel approach based on localized principal component analysis (PCA). The decomposition was made so as to preserve anatomical features while increasing signal and contrast to noise ratios (SNR, CNR). With PCATMIP-DWI, both signal-intensity and SNR are increased theoretically and experimentally. Benefits were quantified in a simulation before being validated in volunteers. Additionally the technique showed reproducible results in a sample of acute myocardial infarction (AMI) patients, with a contrast matching the extent and location of the injured area. Contrarily to brain imaging, in vivo low b-values DWI should be differentiated from ex vivo DWI pure diffusion measurements. Thus PCATMIP-DWI might provide an injection-free technique for exploring cardiac IVIM imaging. Early results encourage the exploration of PCATMIP-DWI in an experimental model of cardiac diseases. Moreover the access to higher b values would permit the study of the full IVIM model for the human heart that retrieves and separates both perfusion and diffusion information