Magnetic Resonance Imaging (MRI) is increasingly used to compliment echocardiography in the diagnosis and management of Congenital Heart Disease (CHD). Imaging of patients with CHD is a challenging task for multiple reasons: the anatomical structures are complex, the heart undergoes continuous motion and patients can be uncooperative. The complexity of the anatomy requires 3D whole-heart images with isotropic resolution and in which arbitrary planes can be retrospectively navigated. 3D imaging methods used in the clinical practice often provide static images by making use of ECG-triggering and respiratory navigators to limit data acquisition to prospectively defined and fixed portions of both the cardiac and the respiratory cycle. For functional assessment, multiple 2D dynamic (CINE) acquisitions are additionally performed, during which patients are asked to hold their breath to limit blur due to respiratory motion.
The elaborate planning required for these acquisitions (e.g., respiratory navigators, multiple 2D planes) jointly with the unpredictably long scan time of navigator-gated acquisitions, often translate in lengthy examinations. Also, repeated breath-holding can be very demanding for CHD patients, or even impossible for uncooperative pediatric ones. These aspects make cardiac MRI particularly challenging for the pediatric population, which is often addressed by performing the exams under general anesthesia. In this work, the use of free- running whole-heart MRI was explored in the context of CHD as a possible answer to these cumulative challenges, where free-running means that data are acquired continuously and irrespective on the underlying motion, representing the key to avoid breath-holding and unpredictable scan times.
In the first study, the focus was put on retrospectively selecting free-running data from periods of minimal cardiac motion to obtain rest phase whole-heart images where anatomical structures can be inspected without motion blur. The retrospective definition of data acceptance windows enabled by free-running imaging offered the unique opportunity to address one of the main hurdles of cardiac MRI, i.e., imaging in the presence of heart rate variability. The latter may be particularly elevated in CHD patients, negatively affecting the quality of images obtained through conventional ECG-triggering. Therefore, we developed and validated an algorithm that extracts rest phase whole-heart images from free-running acquisitions through retrospective and automated selection of data from periods of cardiac quiescence while adaptively and dynamically accounting for heart rate variability. In patients with CHD, the algorithm was shown capable of providing high-quality rest phase whole-heart images despite the presence of high heart rate variability.
In the second study, the focus was put on obtaining high-quality dynamic whole-heart images where cardiovascular structures can be visualized throughout the cardiac cycle and function can be evaluated accurately. In this case, we addressed the hurdle of blood flow- related artifacts that may appear on dynamic images and intermittently obscure anatomical visibility. These artifacts are a consequence of blood flow turbulences, which are particularly exacerbated in CHD due to the presence of unrepaired or residual lesions. Due to their inherent insensitivity to flow, ultra-short echo time (UTE) acquisitions were identified as the ideal solution to prevent the formation of such artifacts in dynamic whole-heart MRI. Therefore, we developed a novel free-running UTE acquisition, which successfully resulted in whole-heart dynamic images with preserved image quality throughout the cardiac cycle. In patients with CHD, the approach provided continuous visibility of cardiovascular structures, even at sites of lesions where flow turbulences were prominently expected.
In conclusion, novel imaging tools that may facilitate the management of patients with CHD and better support clinical decision making are presented in this thesis. On the one hand, a new tool for obtaining high-quality rest phase whole-heart images with reduced impact of heart rate variability is proposed, which enables a better assessment of fast-moving structures that are best depicted statically (e.g., coronary arteries) as compared to conventional acquisitions that do not account for heart rate variability. On the other hand, a novel method for the obtention of flow artifact-free dynamic whole-heart images is presented, which provides high-quality dynamic visualizations of cardiac anatomy that can support surgical planning and post-surgical evaluations and allow an improved precision of volumetric and functional measurements. Therefore, this work moved some encouraging steps towards a comprehensive solution to MR imaging of CHD, where all data necessary for anatomical and functional assessment are collected within a short free-breathing acquisition that may no longer need anesthesia, and retrospectively interrogated to answer the clinical question at hand.
--
L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est de plus en plus utilisée en complément de l'échocardiographie pour le diagnostic et la prise en charge des cardiopathies congénitales. L'imagerie des patients atteints d'une cardiopathie congénitale est une tâche difficile pour de multiples raisons : les structures anatomiques sont complexes, le cœur est en mouvement permanent et les patients peuvent s’avérer peu coopératifs. La complexité de l'anatomie demande des images 3D du cœur entier, de résolution isotrope et où des plans arbitraires peuvent être tracés ultérieurement. Les méthodes d'imagerie 3D utilisées au sein de la pratique clinique fournissent souvent des images statiques, obtenues par déclenchement de l’ECG et par utilisation de navigateurs respiratoires, limitant ainsi l'acquisition des données à une partie fixe des cycles cardiaque et respiratoire définie en amont. Pour l'évaluation fonctionnelle, de multiples acquisitions dynamiques 2D (CINE) sont également réalisées, en demandant aux patients de retenir leur souffle pour limiter le flou dû aux mouvements respiratoires.
La planification élaborée requise pour effectuer ces acquisitions (navigateurs respiratoires, multiples plans 2D), associée à la durée imprévisible des acquisitions synchronisées par le navigateur respiratoire, se traduit souvent par des examens de longue durée. En outre, les apnées répétées peuvent être très contraignantes pour les patients atteints de cardiopathies congénitales, voire impossible pour les patients pédiatriques non coopératifs. Ces aspects rendent l'IRM cardiaque particulièrement difficile pour la population pédiatrique, ce qui est souvent résolu en effectuant les examens sous anesthésie générale. Dans ce travail de thèse, l'utilisation de l'IRM du cœur entier en course libre (i.e., free-running) est explorée dans le contexte de la cardiopathie congénitale comme une réponse possible à ces défis cumulés, où free-running signifie que les données sont acquises en continu et indépendamment du mouvement sous-jacent, ce qui représente la clé pour éviter la rétention de la respiration et des temps d’acquisition imprévisibles.
Dans la première étude, l'accent a été mis sur la sélection rétrospective de données free-running qui correspondent à des périodes de mouvement cardiaque minimal afin d'obtenir des images du cœur entier en phase de repos, où les structures anatomiques peuvent être inspectées sans flou de mouvement. La définition rétrospective des fenêtres d'acceptation des données permise par l'imagerie free-running a offert l'occasion unique de résoudre l'un des principaux obstacles de l'IRM cardiaque, à savoir l'imagerie en présence de variabilité de la fréquence cardiaque. Cette dernière peut être particulièrement élevée chez les patients atteints de cardiopathies congénitales, ce qui peut affecter négativement la qualité des images obtenues conventionnellement par le déclenchement par ECG. C'est pourquoi nous avons développé et validé un algorithme qui extrait des images du cœur entier en phase de repos à partir d'acquisitions free-running, grâce à une sélection rétrospective et automatisée de données provenant de périodes de repos cardiaque, tout en tenant compte de manière adaptative et dynamique de la variabilité de la fréquence cardiaque. Chez les patients atteints de cardiopathies congénitales, l'algorithme s'est révélé capable de fournir des images de haute qualité de la phase de repos du cœur malgré la présence d'une variabilité élevée de la fréquence cardiaque.
Dans la seconde étude, l'accent a été mis sur l'obtention d'images dynamiques de haute qualité du cœur entier permettant de visualiser les structures cardiovasculaires tout au long du cycle cardiaque et d'en évaluer la fonction. Dans ce cas, nous avons affronté le problème des artefacts liés au flux sanguin qui peuvent apparaître sur les images dynamiques et obscurcir par intermittence la visibilité anatomique. Ces artefacts sont la conséquence de turbulences du flux sanguin, qui sont particulièrement exacerbées dans les cardiopathies congénitales en raison de la présence de lésions non réparées ou résiduelles. En raison de leur insensibilité au flux, les acquisitions à temps d'écho ultra-court (UTE) ont été identifiées comme la solution idéale pour empêcher la formation de tels artefacts dans l'IRM dynamique du cœur entier. Nous avons donc mis au point une nouvelle acquisition UTE free-running, qui a permis d'obtenir des images dynamiques du cœur entier avec une qualité d'image préservée tout au long du cycle cardiaque. Chez les patients atteints de cardiopathie, cette approche a permis une visibilité continue des structures cardiovasculaires, même au niveau des lésions où des turbulences du flux sanguin étaient attendues de manière prédominante.
En conclusion, cette thèse présente de nouveaux outils d'imagerie cardiaque susceptibles de faciliter la prise en charge des patients atteints de cardiopathie congénitale et de mieux soutenir la prise de décision clinique. D'une part, un nouvel outil permettant d'obtenir des images de haute qualité du cœur entier en phase de repos avec un impact réduit de la variabilité de la fréquence cardiaque est proposé, ce qui permet une meilleure évaluation des structures en mouvement rapide qui sont alors mieux représentées de manière statique (par exemple, les artères coronaires) par rapport aux acquisitions conventionnelles qui ne tiennent pas compte de la variabilité de la fréquence cardiaque. D'autre part, une nouvelle méthode pour l'obtention d'images dynamiques du cœur entier sans artefacts de flux est présentée, fournissant ainsi des visualisations dynamiques de haute qualité de l'anatomie cardiaque qui peuvent aider la planification chirurgicale et les évaluations post-chirurgicales, et permettre une précision améliorée des mesures volumétriques et fonctionnelles. Par conséquent, ce travail a permis de franchir des étapes encourageantes vers une approche globale de l'imagerie par résonance magnétique des cardiopathies congénitales, dans laquelle toutes les données nécessaires à l'évaluation anatomique et fonctionnelle sont collectées au cours d'une acquisition courte, en respiration libre, qui ne requiert plus nécessairement d'anesthésie, et permettant l’étude rétrospective des données pour répondre à la question clinique posée.