Soutenance de thèse de Simon LEVY

Ecole Doctorale
Sciences de la Vie et de la Santé
Spécialité
Biologie-Santé - Spécialité Neurosciences
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
moelle épinière,IRM,modélisation par éléments finis,IRM à ultra-haut champ,perfusion,biomécanique
Keywords
spinal cord,MRI,finite element modelling,ultrahigh field MRI,perfusion,biomechanics
Titre de thèse
Caractérisation des compressions médullaires: Développement des techniques IRM à 7 Tesla pour l’imagerie de perfusion dans la moelle épinière humaine & Simulations biomécaniques des Myélopathies Cervicales Dégénératives
Characterization of spinal cord compression: Development of 7 Tesla MRI techniques for human spinal cord perfusion imaging and biomechanical simulations of Degenerative Cervical Myelopathy
Date
Jeudi 24 Septembre 2020 à 14:00
Adresse
CERIMED, Faculté de Médecine, Aix-Marseille Université 27 Boulevard Jean Moulin, 13005 Marseille
Salle de visioconférence au RDC du CERIMED
Jury
Directeur de these Mme Virginie CALLOT CNRS
CoDirecteur de these M. Pierre-Jean ARNOUX Université Gustave Eiffel
Examinateur M. Alan SEIFERT Biomedical Engineering and Imaging Institute, Icahn School of Medicine, Mount Sinai Hospital
Rapporteur M. Alexandre VIGNAUD Neurospin, CEA, Saclay
Rapporteur M. Eric WAGNAC Ecole de Technologie Supérieure de Montréal
Examinateur M. Thomas TROALEN Siemens Healthcare SAS, Saint-Denis, France
Examinateur M. Pierre-Hugues ROCHE Service de Neurochirurgie (APHM), Hopital Nord, Marseille

Résumé de la thèse

Les compressions médullaires induites par la dégénérescence du rachis sont une cause fréquente de dysfonctionnement de la moelle épinière. Des recherches antérieures ont démontré des signes d'ischémie déclenchant l’apoptose des cellules, exacerbés par la suite par un processus d’inflammation, menant finalement à la myélopathie et l’altération fonctionnelle. Cependant, la durée des processus dégénératifs et leur interaction restent peu connues. Si la chirurgie de décompression est recommandée pour les Myélopathies Cervicales Dégénératives (DCM), le suivi et la prise en charge des cas légers sont plus problématiques. Un biomarqueur du déficit de perfusion serait d’une aide particulièrement précieuse dans la prise de décision. Ce travail de thèse s’inscrit dans un projet plus global visant à combiner la simulation biomécanique des contraintes induites avec des mesures de perfusion in-vivo par IRM. Plus particulièrement, ce travail visait à développer une technique IRM de cartographie de la perfusion médullaire et à concevoir des simulations par éléments finis réalistes de cas de compressions DCM typiques. Compte tenu des faibles niveaux de perfusion et de la petite taille de la moelle épinière humaine, les développements furent réalisés à 7T pour bénéficier de la sensibilité accrue à ultra-haut champ. La technique de Mouvement Incohérent Intra-Voxel (IVIM) fut tout d’abord étudiée. Le rapport signal/bruit fut maximisé et les erreurs obtenues in-vivo furent évaluées à l'aide de simulations de Monte-Carlo. L'imagerie par Contraste de Susceptibilité Dynamique (DSC), basée sur l'injection d’un agent de contraste, fut ensuite explorée. Un protocole d'acquisition et de post-traitement fut mis en place pour minimiser les biais physiologiques (battements cardiaques, respiration, mouvement). Enfin, des caractéristiques géométriques typiques des compressions DCM furent extraites de la littérature et d'IRM anatomiques de patients. Des simulations biomécaniques furent implémentées à l'aide d'un modèle détaillé du rachis et les contraintes résultantes furent quantifiées tout au long du processus de compression, le long de la moelle ainsi que par région spinale. La technique IVIM démontra une faible sensibilité malgré le rapport signal/bruit élevé obtenu. En revanche, des cartes bien définies de volume et flux sanguin relatifs furent obtenues chez des volontaires sains par DSC, mettant en évidence la perfusion plus élevée de la substance grise par rapport à la substance blanche. La sensibilité fut plus limitée chez les patients DCM, mais de nouvelles lignes de conduite pour améliorer la robustesse de la technique purent être identifiées. Les simulations biomécaniques pourraient expliquer l’ischémie fréquemment observée chez les patients DCM dans la substance grise, mais pas la démyélinisation de la voie corticospinale, si l’on se base sur la distribution des contraintes uniquement. En conclusion, la technique DSC a un grand potentiel pour la cartographie de la perfusion de la moelle épinière humaine en routine clinique. Étant donné la grande variabilité des motifs de compression DCM et des symptômes qui en résultent, la définition de simulations standards est complexe. Dans ce contexte, une approche spécifique au patient est recommandée pour pouvoir établir de manière fiable une relation entre la compression mécanique et l'ischémie induite.

Thesis resume

Spinal cord compression induced by spine degeneration is a common cause of spinal cord dysfunction. Previous research has shown evidence of ischemia firing cell apoptosis exacerbated by inflammation, which eventually results in myelopathy and functional impairment. However, little is known about the timescale of the processes and their interaction. If decompression surgery is recommended for severe Degenerative Cervical Myelopathy (DCM), the progression and management of mild cases is more challenging. Biomarker of perfusion deficit would particularly help to make decision. This PhD is part of a global project aiming at associating biomechanical simulations of the induced constraints to in-vivo measurements of perfusion using MRI. More specifically, this work aimed at developing an MRI technique to map spinal cord perfusion and at designing realistic finite element simulations of typical DCM compressions. Given the low perfusion levels and small size of the human spinal cord, developments were conducted at 7T to benefit from ultra-high field sensitivity. The Intra-Voxel Incoherent Motion (IVIM) technique was first investigated. Signal-to-noise ratio was maximized and errors from in-vivo data were assessed using Monte-Carlo simulations. Dynamic Susceptibility Contrast (DSC) imaging, which makes use of contrast injection, was then explored. Acquisition and post-processing pipelines were implemented to address physiological biases (heartbeat, breathing, motion). Finally, geometrical features of typical DCM compressions were synthesized from literature and anatomical MRI of patients. Simulations were performed using a detailed spine model and resulting constraints were quantified along the compression process, spinal cord length and across spinal pathways. The IVIM technique showed poor sensitivity despite the high signal-to-noise ratio obtained. By contrast, well-defined relative blood volume and flow maps were obtained in healthy volunteers with DSC, depicting the higher perfusion of gray matter with respect to white matter. Sensitivity was mitigated in DCM patients, however new guidelines to improve robustness of the technique could be identified. Biomechanical simulations could explain the gray matter infarction reported in DCM patients but not the demyelination of the corticospinal tract, based on stress distribution only. In conclusion, the DSC technique has a great potential for human spinal cord perfusion mapping in clinical routine. Given the large variability of DCM patterns and resulting symptoms, the definition of standard simulation designs is complex. In this context, a patientspecific approach is advised to reliably establish the relationship between mechanical compression and resulting ischemia.