Développement d'une méthode d'élastographie par résonance magnétique pour l'évaluation du disque intervertébral

La dégénérescence discale est un problème ayant des répercussions sociales et économiques importantes. Malheureusement, les outils de diagnostic sont encore limités en ce qui a trait au diagnostic précoce et non-invasif de la pathologie. Comme des changements de comportements mécaniques sont présents dès les premiers stades de dégénération, des efforts ont été réalisés pour caractériser mécaniquement le disque intervertébral (DIV) par imagerie médicale. L'élastographie par résonance magnétique (ÉRM) permet de mesurer quantitativement les propriétés mécaniques de tissus en mesurant la propagation d'ondes de cisaillement. Cette technique a donc été identifiée comme possédant un fort potentiel pour la détection précoce des changements de propriétés mécaniques du DIV. L'hypothèse sous-jacente à ce projet est qu'il est possible de mesurer les propriétés mécaniques du disque intervertébral en analysant la propagation d'ondes de cisaillement par ÉRM. Pour réaliser des acquisitions ÉRM sur le DIV, un montage expérimental adapté doit être conçu. De nombreux types de montages emploient une variété d'orientations d'excitation, de types d'actuateurs et de matériaux d'enrobages. Dans le but d'étudier différentes orientations d'excitation, des montages non-magnétiques permettant de faire varier ce paramètre ont été conçus. Le DIV étant un tissu rigide, des fréquences élevées sont nécessaires pour son évaluation. Un actuateur piézoélectrique a été choisi pour permettre son orientation libre dans l'appareil d'imagerie par résonance magnétique (IRM) et générer des vibrations de bonne amplitude dans la plage de fréquence étudiée (1000Hz-1800Hz). Le silicone wirosil® a été choisi comme matériau d'enrobage puisqu'il est possible d'obtenir une rigidité comparable au tissu étudié et d'éviter les échanges avec le tissu. De plus, il est simple à préparer et produit une bonne intensité de signal sur les images IRM. Un algorithme de simulation d'ondes de cisaillement a été implémenté. Les forces et les faiblesses de l'algorithme d'inversion algébrique de l'équation différentielle (AIDE), de la méthode des champs virtuels (VFM) et de la formulation faible présentée par Cortès et al. (FF) ont été évaluées. Trois paramètres ont été étudiés, soit le niveau de bruit, la résolution (ou la taille des voxels) et la rigidité (ou le rapport longueur d'onde-champ de vision).

Abstract

The degenerative disc diseases have important social and economic repercussions. Unfortunately, diagnostic tools are still limited regarding early and non-invasive diagnostic of the pathology. As mechanical behavior changes can be observed in the early stages of disc degeneration, efforts have been made to mechanically characterize the intervertebral disc (IVD) using medical imaging. Magnetic resonance elastography (MRE) allows quantitative measurements of tissues mechanical properties by measuring shear waves propagation. Thus, this technique has been identified as having strong potential for detecting the early mechanical properties changes in the IVD. The hypothesis is that it is possible to measure the mechanical properties of the IVD by analysing shear wave propagation using MRE. To realize IVD MRE, an experimental setup must be designed. Many types of setups use different excitation orientations, actuator types and embedding materials. With the objective to study different excitation orientations, non-magnetic setups allowing variation of that parameter have been designed. As the IVD is a stiff tissue, high frequencies would be needed for its evaluation. A piezoelectric actuator was selected in order to allow variable orientations in the magnetic resonance imaging (MRI) system and generation of sufficient amplitude vibrations in the studied frequency range (1000Hz-1800Hz). Wirosil® silicone was chosen as embedding material as it is possible to produce a stiffness comparable with the studied tissue, to eliminate fluid exchanges with the tissue. Moreover, it is easy to prepare and produces high intensity MRI images. A shear wave simulation algorithm was implemented. Advantages and disadvantages of the algebraic inversion of the differential equation (AIDE) algorithm, the virtual field method (VFM) and weak formulation presented by Cortès et al. (FF) were evaluated. Three parameters were studied, the level of noise, the resolution (or voxel size) and the stiffness (or wavelength to field of view ratio).