Spirométrie 3D par IRM

Contexte scientifique

Spirométrie standard

La ventilation gazeuse, la perfusion sanguine et le transfert septal du gaz assurent globalement la fonction pulmonaire chez l’humain. Pendant la respiration, la ventilation est intrinsèquement liée au comportement mécanique des poumons, car elle est déterminée par les lumières de l’arbre bronchique, l’inflation et la déflation des tissus alvéolaires du poumon tandis que le gaz s’écoule et diffuse à travers le parenchyme pulmonaire. L’efficacité de la ventilation et les maladies respiratoires sont évaluées par spirométrie dans le cadre de tests d’exploration fonctionnelle respiratoire en routine clinique. La spirométrie est aujourd’hui la technique de référence pour évaluer la fonction respiratoire pulmonaire chez l’humain. À partir de la forme d’une courbe débit-volume mesurée pendant que le patient, entraîné par le praticien, effectue des respirations forcées, la capacité vitale forcée (CVF) et le volume expiratoire forcé en une seconde (VEMS) peuvent être déduits et le pneumologue est capable de détecter et de caractériser les affections respiratoires ainsi que d’évaluer les traitements en cours. Cette technique est non invasive et simple. Elle est largement disponible, robuste, reproductible et sensible à l’intervention. Toutefois, ses résultats dépendent de la formation de l’opérateur et de la coopération du patient. Elle fournit uniquement des informations scalaires globales sur le poumon dans des conditions fonctionnelles extrêmes.

IRM pulmonaire

En dépit des limitations intrinsèques et des contraintes physiologiques qui ont entravé son application dans le poumon, l’imagerie par résonance magnétique (IRM) peut désormais sonder efficacement l’organe à l’échelle régionale. Les déformations locales ont pu être également déduite par recalage non élastique sur un ensemble d’images rapidement acquises en IRM dynamique. Néanmoins, alors que les mouvements et les phénomènes impliqués dans le processus respiratoire sont essentiellement 3D, seules des cartes de ventilation 2D ont été obtenues jusqu’à présent.

Une stratégie innovante et un cadre d’étude original ont été récemment mis au point au laboratoire BioMaps avec GE Healthcare afin d’analyser conjointement la fonction ventilatoire et le comportement mécanique du poumon : la spirométrie 3D par résonance magnétique. Comme la mécanique respiratoire soutient fondamentalement la fonction ventilatoire, cette technique devrait ouvrir une nouvelle voie pour explorer de manière non invasive la fonction pulmonaire tout en fournissant un meilleur diagnostic des maladies pulmonaires régionales.

Figure 1 : Dynamique respiratoire spontanée, diaphragmatique et thoracique dans le poumon gauche (haut) et droit (bas) chez un sujet sain avec remise en phase rétrospective d’un acquisition ZTE-AZTEK 3D.
Figure 2 : Vues sagittales des images thoraciques, recalées rétrospectivement selon 32 phases acquises, à la fin de l'expiration (en haut) et à la fin de l'inspiration (en bas) pour des motifs respiratoires spontané (gauche), thoracique (milieu) et diaphragmatique (droite). La ligne rouge représente la fin de l'expiration pour référence.
Figure 3 : Vues coronales, sagittales et axiales acquises en 3D UTE à la fin de l'expiration avec, superposées, des courbes de débit-volume régionales estimées par spirométrie 3D IRM. Les conventions de couleur et d'axe sont données dans le coin inférieur droit pour les courbes locales et globales.

Environnement scientifique

Le projet s’inscrit dans un consortium scientifique qui couvre l’acquisition des données d’IRM pulmonaire (BioMaps, Hôpital de la Pitié-Salpêtrière, GE Healthcare), la reconstruction des données du poumon (BioMaps, GE Healthcare, École Polytechnique), la modélisation et le traitement des données (École Polytechnique, GE Healthcare), le poumon asthmatique (Hôpital de Bicêtre) et le poumon chroniquement obstrué (Hôpital de la Pitié-Salpêtrière).

Références:

1/ Boucneau et al. AZTEK: Adaptive Zero TE K-space trajectories ISMRM 27th annual meeting, Montréal, Canada, 2019.

2/ Boucneau et al. 3D Magnetic Resonance Spirometry ISMRM 27th annual meeting, Montréal, Canada, 2019.

3/ Boucneau Magnetic resonance imaging of respiratory mechanics, PhD dissertation, 2019. www.theses.fr/2019SACLS165