FR2823967A1

FR2823967A1 - Procede et installation pour la production d'images en resonance magnetique

Info

Publication number: FR2823967A1
Application number: FR0105555A
Authority: FR
Inventors: Yannick Cremillieux; Emmanuelle Canet; Virginie Callot
Original assignee: Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Current assignee: Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2002-10-31
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: EP1418841A1; WO2002085206A1; US20050089474A1; FR2823967B1

Abstract

L'invention concerne un procédé de production d'images en résonance magnétique d'un corps à imager faisant partie d'un être humain comprenant les étapes suivantes :. placer au moins le corps à imager dans un champ magnétique stationnaire,. injecter dans le système circulatoire sanguin d'au moins du corps à imager, un traceur sanguin contenant au moins un gaz rare hyperpolarisé,. appliquer des impulsions radiofréquences et des gradients de champs magnétique au corps à imager pour exciter l'aimantation nucléaire du gaz rare hyperpolarisé, . acquérir dans l'espace des k, les signaux de résonance magnétique nucléaire sous la forme de N acquisitions passant chacune par le centre de l'espace des k,. et, à partir des signaux de résonance magnétique nucléaire, reconstruire des images en remplaçant, pour chacune d'elles, au moins une acquisition d'un espace des k par une acquisition d'un espace des k suivant.

Description

d'aspiration (9, 10) se rejoignant au niveau des deux sommets.

La présente invention concerne le domaine technique de l'imagerie par

résonance magnétique d'une partie d'un étre humain, en particulier du c_ur.

L'objet de l'invention vise, plus précisément, le domaine technique de

l'imagerie par résonance magnétique utilisant des gaz rares, dits hyperpolarisés.

D'une manière classique, la réalisation d'images en résonance magnétique nucléaire (RMN) nécessite l'acquisition de signaux RMN provenant du corps à imager. L'application appropriée, d'impulsions radiofréquence et de gradients de champs magnétiques pendant ces acquisitions, permet de localiser la source du signal RMN. La procédure pour obtenir une image à deux dimensions du corps à imager consiste à effectuer une séquence d'imagerie au cours de laquelle est réalisée la combinaison séquentielle des gradients de champs magnétiques et des impulsions radiofréquences. Cette séquence d'imagerie est appliquce de telle façon que l'ensemble des valeurs échantillonnces du signal RMN remplissent le plan, dit de Fourier ou espace des k, dans la terminologie de l'IRM. Ensuite, une opération de transformation de Fourier est appliquce aux signaux RMN échantillonnés, afin de produire une image de la distribution des aimantations nucléaires dans le corps à imager.

De nombreuses séquences d'imagerie permettent d'obtenir le plan de Fourier.

La combinaison, utilisée dans la grande majorité des cas, est l'imagerie, dite de Fourier, avec une distribution cartésienne des points échantillonnés séquentiellement le long de lignes parallèles dans le plan de Fourier. Chaque nouvelle image est formée à partir de l'acquisition complète d'un nouveau plan de Fourier. La résolution temporelle d'une séquence d'imagerie correspond donc au temps d'acquisition du plan de Fourier, c'est-à-dire au produit N.TR o N est le nombre de lignes de l'espace

de Fourier et TR le temps, dit de répétition, séparant l'acquisition de deux lignes.

Il a été proposé une technique, dite de fluoroscopie RMN permettant, en théorie, d'améliorer considérablement la résolution temporelle de la séquence d'imagerie (RIEDERER et al., Magnetic Resonance Medicine, 8-15, 1988). Le principe consiste à reconstruire des images RMN en utilisant des signaux appartenant à des espaces de Fourier différents. Ainsi, par exemple, une image peut être construite en utilisant les N - 1 dernières lignes d'un espace des k et la première ligne de l'espace des k suivant. Le processus peut étre répété en décalant encore d'une ligne le début de l'espace des k utilisés, de sorte qu'il est retenu ainsi les N - 2 dernières lignes du premier espace des k et les deux premières lignes du deuxième

espace des k.

La résolution temporelle est améliorce, dans le sens o chaque image reconstruite est donc décalée temporellement de la précédente d'un temps TR. Cette méthode est connue dans le domaine de 1'IRM sous le nom de "sliding window". En pratique, cette méthode présente beaucoup d'inconvénients. En effet, la forme général e de l' image est donnée e ssenti ellement p ar les lignes central es de l 'esp ac e des k contenant les basses fréquences spatiales du corps à imager (les lignes extérieures de l'espace des k correspondent aux hautes fréquences spatiales donnant les détails et la résolution spatiale dans le corps à imager). En conséquence, toute variation de forme, d'intensité et de position du corps à imager, intervenant durant les acquisitions des lignes périphériques, n'est pas enregistrée. I1 appara^t ainsi des discontinuités

importantes générant des artéfacts dans la série d'images dynamiques.

Pour utiliser beaucoup plus efficacement la technique de sliding window, il est connu, dans l'état de la technique, de faire appel à d'autres techniques d'imagerie,

telles que les séquences d'imagerie, dite de projection/reconstruction et dite spirale.

Ces séquences d'imagerie ont en commun le fait que le centre de l'espace des k est acquis pour chaque temps de répétition TR. L'acquisition des signaux se fait le long de lignes radiales dans la technique de projection/reconstruction et le long de courbes en spirale dans la technique d'imagerie spirale. Le passage par le centre de l'espace des k à chaque temps de répétition TR permet d'éviter des discontinuités dans le suivi de l'évolution dynamique du corps à imager. La technique de sliding window a été proposce et appliquée pour l'imagerie spirale, comme décrit notamment par le brevet US S 485 086 et en projection/reconstruction, comme enseigné notamment par

le brevet US S 502 385.

Si ces techniques d'imagerie permettent d'améliorer la résolution des images el les s'avèrent, en pratique, inappropri ées pour l' obtention d' images du c_ur et nécessitent, de façon supplémentaire, une synchronisation de l'acquisition des signaux RMN sur le cycle cardiaque. Ainsi, ces techniques ne permettent pas

d'assurer correctement l'imagerie des coronaires et de la perfusion du myocarde.

Bien entendu, il est connu, dans l'état de la technique, d'avoir recours à l'angiographie numérique (rayons X) pour l'imagerie des coronaires et à la scintigraphie au thallium (gamma camera) pour l'imagerie de perfusion. Toutefois, ces deux examens complémentaires nécessitent des modalités d'imagerie différentes utilisant chacune des rayonnements ionisants. Il appara^t donc le besoin de pouvoir disposer d'une technique d'imagerie, en particulier du c_ur et notamment des coronaires et de la perfusion du myocarde, dont la mise en _uvre se suffit à elle-même et permet de s'affranchir des problèmes liés à l'utilisation de rayonnements ionisants, tout en permettant d'obtenir des images

d'excellente qualité.

Pour permettre de satisfaire ce besoin, l'objet de l'invention concerne un procédé de production d'images en résonance magnétique d'un corps à imager faisant partie d'un étre humain, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: À placer au moins le corps à imager dans un champ magnétique stationnaire, À injecter dans le système circulatoire sanguin d'au moins du corps à imager, un traceur sanguin contenant au moins un gaz rare hyperpolarisé, À appliquer des impulsions radiofréquences et des gradients de champs magnétique au corps à imager pour exciter l'aimantation nucléaire du gaz rare hyperpolarisé et obtenir ainsi l'émission de signaux de résonance magnétique nucléaire, À acquérir dans l'espace des k, les signaux de résonance magnétique nucléaire sous la forme de N acquisitions passant chacune par le centre de l'espace des k et avec un temps d'acquisition N.TR pour chaque espace des k (avec TR le temps de répétition séparant deux acquisitions), À et, à partir des signaux de résonance magnétique nucléaire, reconstruire des images en remplaçant, pour chacune d'elles, au moins une acquisition

d'un espace des k par une acquisition d'un espace des k suivant.

L'objet de l'invention vise donc à combiner l'utilisation de la méthode dite de sliding window, en projection/reconstruction ou en imagerie en spirale, avec

l'utilisation de traceurs sanguins basés sur des gaz rares hyperpolarisés.

Un autre objet de l'invention est de proposer une installation pour la production d'images en résonance magnétique d'un corps à imager faisant partie d'un étre humain, caractérisée en ce qu'elle comprend: À des moyens d'injection dans le système circulatoire sanguin d'au moins un corps à imager, d'un traceur sanguin contenant au moins un gaz rare hyperpolarisé, et un dispositif de production d'images en résonance magnétique comportant: - des moyens de production d'un champ magnétique stationnaire, - un système de bobines à haute fréquence en vue de la production d'impulsions radiofréquences, - un système de bobines à gradient en vue de la production de champs magnétiques à gradients, - des moyens d'acquisition dans l'espace des k, des signaux de résonance magnétique nacléaire sous la forme de N acquisitions passant chacune par le centre de l'espace des k et avec un temps d'acquisition N.TR pour chaque espace des k (avec TR le temps de répétition séparant deux acquisitions), - et des moyens de reconstruction d' images à p artir des signaux de résonance magnétique nucléaire, en remplaçant, pour chacune d'elles, au moins une acquisition d'un espace des k par une

acquisition d'un espace des k suivant.

L'installation de production d'images selon l'invention comporte, d'une part, des moyens d'injection dans le système circulatoire d'au moins un corps à imager d'un être humain, d'un traceur sanguin conforme à l'invention et, d'autre part, d'un

dispositif de production d'images en résonance magnétique.

Les moyens d'injection sont de tout type connu pour permettre le passage du

traceur sanguin dans le système circulatoire d'au moins le corps à imager.

Conformément à l'invention, le traceur sanguin contient au moins un gaz rare hyperpolarisé, tel que l'hélium 3 ou le xénon 129. Ces gaz rares sont dits hyperpolarisés car ils sont préalablement soumis à une technique de pompage optique permettant d'orienter préférentiellement leur aimantation nucléaire dans une direction donnée. Suite à ce processus de polarisation, ces gaz rares présentent un signal de résonance magnétique nucléaire (RMN) multiplié par plusieurs ordres de grandeurs. Ces gaz rares hyperpolarisés sont connus de l'homme du métier et sont décrits, notamment, dans les articles suivants: G. D. CATES et al. , Phys. Rev. A 45 (1992), 4631, M. A. BOUCHLAT et al., Phys. Rev. Lett. 5 (1960), 373; X. ZENG et al., Phys. Rev. A 31 (1985), 260), L. D. SCHAERER, Phys. Lett. 180 (1969), 83: F. LALOE et al., AIP Conf. Proc. # 131 (Workshop on Polarized 3He Beams and

Targets, 1984).

De tels gaz rares sont employés dans une émulsion ou une solution ou après

encapsulation dans des microbulles.

L'installation selon l'invention comporte, également, un dispositif de production d'images par résonance magnétique nucléaire mettant en _uvre la technique d'imagerie, connue sous le nom de sliding window en projection/reconstruction, telle que décrite notamment par le brevet US 5 502 385 ou la technique d'imagerie de sliding window en spirale, telle que décrite notamment par le brevet US 5 485 086. Un tel dispositif de production d'images sera décrit

succinctement dans la suite de la description car il est bien connu de l'homme du

métier. De manière classique, un tel dispositif de production d'images comporte des moyens de production d'un champ magnétique stationnaire homogène, composés de bobines disposées concentriquement par rapport à un axe privilégié et disposées sur une surface sphérique à l'intérieur de laquelle est placé le patient à examiner. De manière classique, un tel dispositif comporte, également, un système de bobines à gradients, en vue de la production de champs magnétiques à gradients évoluant dans les trois directions de l'espace. De plus, un tel dispositif de production comporte un système de bobine à haute fréquence, en vue de la production d'impulsions radiofréquences. De manière classique, le dispositif de production comporte des moyens de commande permettant d'assurer une combinaison séquentielle des gradients de champs magnétiques et des impulsions radiofréquences, de telle façon que l'ensemble des valeurs échantillonnées du signal RMN remplissent le plan, dit de

Fourier ou espace des k.

Le dispositif de production comporte, également, des moyens d'acquisition dans l'espace des k des signaux de résonance magnétique nucléaire produits par le traceur sanguin. Conformément à l'invention, les signaux de résonance magnétique nucléaire sont enregistrés sous la forme de N acquisitions passant chacune par le centre de l'espace des k et avec un temps d'acquisition N.TR pour chaque espace des

k, avec TR étant le temps de répétition séparant deux acquisitions.

Dans le cas de la mise en _uvre de la technique d'imagerie, dite de projection/ reconstruction, les signaux de résonance magnétique nucléaire sont acquis sous la

forme de N acquisitions de lignes passant chacune par le centre de l'espace des k.

Dans le cas de la mise en _uvre du principe d'imagerie par spirale, les signaux de résonance magnétique nucléaire sont acquis sous la forme de N acquisitions de

courbes en spirale passant chacune par le centre de l'espace des k.

Le dispositif de production comporte, également, des moyens de reconstruction d'images, à partir des signaux de résonance magnétique nucléaire, adaptés pour mettre en _uvre la technique, dite de sliding window, dont le principe de reconstruction est d'utiliser des signaux appartenant à des espaces de Fourier différents. Ainsi, pour chacune des images, au moins une acquisition d'un espace des k est remplacée par une acquisition d'un espace des k suivant. Selon une caractéristique préférée de réalisation, cette technique de sliding window vise à construire les images en remplaçant, pour chacune d'elles, au moins la première

acquisition d'un espace des k par la première acquisition d'un espace des k suivant.

Ainsi, comme expliqué, une image peut être reconstruite en utilisant les N - 1 dernières acquisition d'un espace des k et la première acquisition de l'espace des k suivant. Ce processus peut être répété en décalant encore d'une acquisition le début de l'espace des k utilisé et retenir ainsi les N - 2 dernières acquisitions du premier

espace des k et les deux premières acquisitions du deuxième espace des k.

Le dispositif décrit ci-dessus permet de mettre en _uvre un procédé de production d'images en résonance magnétique d'un corps à imager. L'acquisition des signaux RMN en projection/reconstruction ou spirale est déclenchée avant ou pendant le passage du traceur sanguin dans l'organe à imager et appliquée en continu

durant toute la durée du passage du traceur sanguin.

L'intérêt d'un traceur sanguin à base de gaz rares hyperpolarisés réside dans le fait que la visualisation des vaisscaux sanguins n'est pas perturbée par la présence du signal RMN proton du milieu environnant (tissus, sang...). En effet, l'imagerie de la distribution d'un traceur sanguin, à base de gaz rares hyperpolarisés, est fondée sur la mesure de leur propre signal RMN (noyaux d'hélium 3 ou de xénon 129). L'image obtenue dans ce cas est une mesure directe de la distribution intravasculaire des gaz rares. Cette méthode se rapproche ainsi de la notion de traceur radioactif utilisé en médecine nucléaire (imagerie de scintigraphie, tomographie par émission de positons, etc.) et s'oppose ainsi au mode opératoire des agents de contraste utilisés jusqu'ici en IRM et fondé sur la mesure de leur effet indirect sur le signal RN des

protons du milieu environnant.

Dans la mesure o la visualisation des vaisscaux sanguins n'est pas perturbée par la présence du signal RMN proton du milieu environnant, il est possible d'utiliser la technique de sliding window pour l'imagerie des artères coronaires, sans synchronisation de l'acquisition RMN sur le cycle cardiaque. Il est ainsi possible d'obtenir des images dans tous les plans de coupe ou en projection (sans sélection de

coupe) des vaisseaux coronaires et de la micro-circulation du myocarde.

Par ailleurs, l'utilisation de la technique de sliding window pour l'imagerie dynamique des coronaires avec les gaz rares est justifiée par l'allure des variations du signal au cours du temps. En effet, au cours du passage du traceur sanguin dans les vaisseaux sanguins, les variations d'intensité dans l'image se présentent sous la forme du rempli s sage progres s if des vai s scaux sanguins par le traceur s anguin. Ce pas sage du bolus est rapide par rapport au temps d'acquisition total de l'image et ne peut pas étre appréhendé de façon satisfaisante par les techniques d'imagerie classiques. A contrario, la technique de sliding window permet de reconstruire des images séparées seulement par un temps de répétition. Cette technique permet donc de suivre la

progression du signal RMN des gaz rares à l'intérieur du secteur vasculaire.

Les propriétés particulières au traceur sanguin à base de gaz rares hyperpolarisés permet d'obtenir, avec la technique de sliding window, des séries d'images avec une haute résolution temporelle et spatiale, notamment pour le c_ur, mais aussi pour d'autres régions d'intérét, telles que les poumons, le cerveau, les

reins, etc..

Selon une variante de réalisation, le procédé selon l'invention vise à permettre

d'obtenir différents plans de coupe du corps à imager pendant une même injection.

Pour ce faire, la technique de sliding window est modifiée, afin d'obtenir différentes orientations au cours d'une même injection du traceur sanguin à base de gaz rare. I1 est rappelé que le plan de projection de l'image est donné par le plan contenant

l'ensemble des directions des gradients d'imagerie utilisés.

Selon une première solution, il est prévu d'enkelacer le choix des directions de gradients et d'obtenir ainsi des acquisitions RMN correspondant, alternativement, par exemple à des plans coronaux et transverses. Ainsi, il est prévu de faire varier, de façon cyclique, la direction normale au plan d'imagerie dans lequel sont appliqués les gradients de champs magnétiques permettant d'acquérir l'espace des k. Cette alternance de plan de projection se fait au détriment de la résolution temporelle de la

technique de sliding window.

Une autre solution consiste à faire varier, à chaque nouvelle acquisition N. la direction normale au plan d'imagerie dans lequel sont appliqués les gradients de champ magnétique permettant d'acquérir l'espace des k. La série d'images dynamiques reconstruite peut ainsi passer progressivement, par exemple, d'un plan coronal à un plan transverse. Cette solution ne détériore pas la résolution temporelle de la série d'images mais la roorientation progressive de l'orientation du plan de

projection se fait au détriment de la résolution spatiale des images.

- 9,,

RENIENDICATIONS

1- Installation pour la production d'images en résonance magnétique d'un corps à imager faisant partie d'un être humain, caractérisée en ce qu'elle comprend: des moyens d'injection dans le système circulatoire sanguin d'au moins un corps à imager, d'un traceur sanguin contenant au moins un gaz rare hyperpolarisé, À et un dispositif de production d'images en résonance magnétique comportant: - des moyens de production d'un champ magnétique stationnaire, - un système de bobines à haute fréquence en vue de la production d'impulsions radiofréquences, - un système de bobines à gradient en vue de la production de champs magnétiques à gradients, - des moyens d'acquisition dans l'espace des k, des signaux de résonance magnétique nacléaire sous la forme de N acquisitions passant chacune par le centre de l'espace des k et avec un temps d'acquisition N.TR pour chaque espace des k (avec TR le temps de répétition séparant deux acquisitions), - et des moyens de reconstruction d' images à partir des signaux de résonance magnétique nucléaire, en remplaçant, pour chacune d'elles, au moins une acquisition d'un espace des k par une

acquisition d'un espace des k suivant.

2 -Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de production d'images comporte des moyens d'acquisition, dans l'espace des k, des signaux de résonance magnétique nocléaire sous la forme de N acquisitions de lignes

passant chacune par le centre de l'espace des k.

3 - Installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de production d'images comporte des moyens d'acquisition, dans l'espace des k, des signaux de résonance magnétique nucléaire sous la forme de N acquisitions de

courbes en spirale passant chacune par le centre de 1'espace des k.

4 - Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce le dispositif

de production d'images en résonance magnétique comporte des moyens de - i reconstructions d'images à partir des signaux de résonance magnétique nucléaire, en remplaçant, pour chacune d'elles, au moins la première acquisition d'un espace des k

par la première acquisition d'un espace des k suivant.

- Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le

dispositif de production d'images en résonance magnétique, comporte des moyens de faire varier, de façon cyclique, la direction normale au plan d'imagerie dans lequel sont appliqués les gradients de champs magnétiques perrnettant d'acquérir l'espace

des k.

6 -Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le

dispositif de production d'images en résonance magnétique, comporte des moyens de faire varier, pour chaque acquisition N. la direction normale au plan d'imagerie dans lequel sont appliqués les gradients de champs magnétiques permettant d'acquérir