Cardiovascular magnetic resonance imaging techniques for motion-suppressed multi-dimensional coronary artery imaging with high spatial and temporal resolution

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) peut fournir aux cardiologues des informations diagnostiques importantes sur l'état de la maladie de l'artère coronarienne dans les patients. Le défi majeur pour l'IRM cardiaque est de gérer toutes les sources de mouvement qui peuvent affecter la qualité des images en réduisant l'information diagnostique. Cette thèse a donc comme but de développer des nouvelles techniques d'acquisitions des images IRM, en changeant les techniques de compensation du mouvement, pour en augmenter l'efficacité, la flexibilité, la robustesse et pour obtenir plus d'information sur le tissu et plus d'information temporelle. Les techniques proposées favorisent donc l'avancement de l'imagerie des coronaires dans une direction plus maniable et multi-usage qui peut facilement être transférée dans l'environnement clinique. La première partie de la thèse s'est concentrée sur l'étude du mouvement des artères coronariennes sur des patients en utilisant la techniques d'imagerie standard (rayons x), pour mesurer la précision avec laquelle les artères coronariennes retournent dans la même position battement après battement (repositionnement des coronaires). Nous avons découvert qu'il y a des intervalles dans le cycle cardiaque, tôt dans la systole et à moitié de la diastole, où le repositionnement des coronaires est au minimum. En réponse nous avons développé une nouvelle séquence d'acquisition (T2-post) capable d'acquérir les données aussi tôt dans la systole. Cette séquence a été testée sur des volontaires sains et on a pu constater que la qualité de visualisation des artère coronariennes est égale à celle obtenue avec les techniques standard. De plus, le rapport signal sur bruit fourni par la séquence d'acquisition proposée est supérieur à celui obtenu avec les techniques d'imagerie standard. La deuxième partie de la thèse a exploré un paradigme d'acquisition des images cardiaques complètement nouveau pour l'imagerie du coeur entier. La technique proposée dans ce travail acquiert les données sans arrêt (free-running) au lieu d'être synchronisée avec le mouvement cardiaque. De cette façon, l'efficacité de la séquence d'acquisition est augmentée de manière significative et les images produites représentent le coeur entier dans toutes les phases cardiaques (quatre dimensions, 4D). Par ailleurs, l'auto-navigation de la respiration permet d'effectuer cette acquisition en respiration libre. Cette technologie rend possible de visualiser et évaluer l'anatomie du coeur et de ses vaisseaux ainsi que la fonction cardiaque en quatre dimensions et avec une très haute résolution spatiale et temporelle, sans la nécessité d'injecter un moyen de contraste. Le pas essentiel qui a permis le développement de cette technique est l'utilisation d'une trajectoire d'acquisition radiale 3D basée sur l'angle d'or. Avec cette trajectoire, il est possible d'acquérir continûment les données d'espace k, puis de réordonner les données et choisir les paramètres temporel des images 4D a posteriori. L'acquisition 4D a été aussi couplée avec un algorithme de reconstructions itératif (compressed sensing) qui permet d'augmenter la résolution temporelle tout en augmentant la qualité des images. Grâce aux images 4D, il est possible maintenant de visualiser les artères coronariennes entières dans chaque phase du cycle cardiaque et, avec les mêmes données, de visualiser et mesurer la fonction cardiaque. La qualité des artères coronariennes dans les images 4D est la même que dans les images obtenues avec une acquisition 3D standard, acquise en diastole Par ailleurs, les valeurs de fonction cardiaque mesurées au moyen des images 4D concorde avec les valeurs obtenues avec les images 2D standard. Finalement, dans la dernière partie de la thèse une technique d'acquisition a temps d'écho ultra-court (UTE) a été développée pour la visualisation in vivo des calcifications des artères coronariennes. Des études récentes ont démontré que les acquisitions UTE permettent de visualiser les calcifications dans des plaques athérosclérotiques ex vivo. Cepandent le mouvement du coeur a entravé jusqu'à maintenant l'utilisation des techniques UTE in vivo. Pour résoudre ce problème nous avons développé une séquence d'acquisition UTE avec trajectoire radiale 3D et l'avons testée sur des volontaires. La technique proposée utilise une auto-navigation 3D pour corriger le mouvement respiratoire et est synchronisée avec l'ECG. Trois échos sont acquis pour extraire le signal de la calcification avec des composants au T2 très court tout en permettant de séparer le signal de la graisse depuis le signal de l'eau. Les résultats sont encore préliminaires mais on peut affirmer que la technique développé peut potentiellement montrer les calcifications des artères coronariennes in vivo. En conclusion, ce travail de thèse présente trois nouvelles techniques pour l'IRM du coeur entier capables d'améliorer la visualisation et la caractérisation de la maladie athérosclérotique des coronaires. Ces techniques fournissent des informations anatomiques et fonctionnelles en quatre dimensions et des informations sur la composition du tissu auparavant indisponibles. CORONARY artery magnetic resonance imaging (MRI) has the potential to provide the cardiologist with relevant diagnostic information relative to coronary artery disease of patients. The major challenge of cardiac MRI, though, is dealing with all sources of motions that can corrupt the images affecting the diagnostic information provided. The current thesis, thus, focused on the development of new MRI techniques that change the standard approach to cardiac motion compensation in order to increase the efficiency of cardioavscular MRI, to provide more flexibility and robustness, new temporal information and new tissue information. The proposed approaches help in advancing coronary magnetic resonance angiography (MRA) in the direction of an easy-to-use and multipurpose tool that can be translated to the clinical environment. The first part of the thesis focused on the study of coronary artery motion through gold standard imaging techniques (x-ray angiography) in patients, in order to measure the precision with which the coronary arteries assume the same position beat after beat (coronary artery repositioning). We learned that intervals with minimal coronary artery repositioning occur in peak systole and in mid diastole and we responded with a new pulse sequence (T2~post) that is able to provide peak-systolic imaging. Such a sequence was tested in healthy volunteers and, from the image quality comparison, we learned that the proposed approach provides coronary artery visualization and contrast-to-noise ratio (CNR) comparable with the standard acquisition approach, but with increased signal-to-noise ratio (SNR). The second part of the thesis explored a completely new paradigm for whole- heart cardiovascular MRI. The proposed techniques acquires the data continuously (free-running), instead of being triggered, thus increasing the efficiency of the acquisition and providing four dimensional images of the whole heart, while respiratory self navigation allows for the scan to be performed in free breathing. This enabling technology allows for anatomical and functional evaluation in four dimensions, with high spatial and temporal resolution and without the need for contrast agent injection. The enabling step is the use of a golden-angle based 3D radial trajectory, which allows for a continuous sampling of the k-space and a retrospective selection of the timing parameters of the reconstructed dataset. The free-running 4D acquisition was then combined with a compressed sensing reconstruction algorithm that further increases the temporal resolution of the 4D dataset, while at the same time increasing the overall image quality by removing undersampling artifacts. The obtained 4D images provide visualization of the whole coronary artery tree in each phases of the cardiac cycle and, at the same time, allow for the assessment of the cardiac function with a single free- breathing scan. The quality of the coronary arteries provided by the frames of the free-running 4D acquisition is in line with the one obtained with the standard ECG-triggered one, and the cardiac function evaluation matched the one measured with gold-standard stack of 2D cine approaches. Finally, the last part of the thesis focused on the development of ultrashort echo time (UTE) acquisition scheme for in vivo detection of calcification in the coronary arteries. Recent studies showed that UTE imaging allows for the coronary artery plaque calcification ex vivo, since it is able to detect the short T2 components of the calcification. The heart motion, though, prevented this technique from being applied in vivo. An ECG-triggered self-navigated 3D radial triple- echo UTE acquisition has then been developed and tested in healthy volunteers. The proposed sequence combines a 3D self-navigation approach with a 3D radial UTE acquisition enabling data collection during free breathing. Three echoes are simultaneously acquired to extract the short T2 components of the calcification while a water and fat separation technique allows for proper visualization of the coronary arteries. Even though the results are still preliminary, the proposed sequence showed great potential for the in vivo visualization of coronary artery calcification. In conclusion, the thesis presents three novel MRI approaches aimed at improved characterization and assessment of atherosclerotic coronary artery disease. These approaches provide new anatomical and functional information in four dimensions, and support tissue characterization for coronary artery plaques.

Les traitements laser en dermatologie pédiatrique [Laser treatments in pediatric dermatology].

Lasers in pediatric dermatology were developed as a result of the treatment of port-wine stains. Infantile hemangiomas may benefit, in some cases, from laser treatment as well as venous and lymphatic malformations. For certain pigmented lesions, as well as some hamartomas, laser treatments are a credible alternative to surgical resection. Bum scars are improved by lasers which stimulate collagen remodeling. Furthermore, hair removal of congenital and acquired hypertrichosis can relieve psychosocial discomfort and improve quality of life. The management of pain and fear of children undergoing laser treatment, using either topical or general anesthesia, remains of central importance.

Assessment of the role of LASER-Doppler in the treatment of port-wine stains in infants.

BACKGROUND: Port-wine stains (PWS) are malformations of capillaries in 0.3% of newborn children. The treatment of choice is by pulsed dye LASER (PDL), and requires several sessions. The efficacy of this treatment is at present evaluated on the basis of clinical inspection and of digital photographs taken throughout the treatment. LASER-Doppler imaging (LDI) is a noninvasive method of imaging the perfusion of the tissues by the microcirculatory system (capillaries). The aim of this paper is to demonstrate that LDI allows a quantitative, numerical evaluation of the efficacy of the PDL treatment of PWS. METHOD: The PDL sessions were organized according to the usual scheme, every other month, from September 1, 2012, to September 30, 2013. LDI imaging was performed at the start and at the conclusion of the PDL treatment, and simultaneously on healthy skin in order to obtain reference values. The results evidenced by LDI were analyzed according to the "Wilcoxon signed-rank" test before and after each session, and in the intervals between the three PDL treatment sessions. RESULTS: Our prospective study is based on 20 new children. On average, the vascularization of the PWS was reduced by 56% after three laser sessions. Compared with healthy skin, initial vascularization of PWS was 62% higher than that of healthy skin at the start of treatment, and 6% higher after three sessions. During the 2 months between two sessions, vascularization of the capillary network increased by 27%. CONCLUSION: This study shows that LDI can demonstrate and measure the efficacy of PDL treatment of PWS in children. The figures obtained when measuring the results by LDI corroborate the clinical assessments and may allow us to refine, and perhaps even modify, our present use of PDL and thus improve the efficacy of the treatment.

Le reflux gastro-oesophagien de l'enfant: indications chirurgicales, techniques et suivi.

Contexte: Présent sous forme physiologique chez environ 60% des nourrissons normaux de moins de quatre mois, le reflux gastro-oesophagien (RGO) n'est symptomatique que chez 10% d'entre eux. Il est également plus fréquent chez les enfants atteints de troubles neurologiques quelque soit leur âge. Non traité, il peut avoir des conséquences graves (oesophagite, sténose peptique, endobrachyoesophage (Barrett) puis adénocarcinome de l'oesophage). Il s'agit donc d'un problème qu'il faut savoir détecter et traiter précocement. Les signes et symptômes du RGO sont multiples et varient en fonction de l'âge. Ils ne se limitent pas au seul vomissement. Le traitement initial du RGO chez l'enfant est médical. En cas d'échec de celui-ci ou dans certaines indications (comme les RGO récidivants, les malformations congénitales, les anomalies morphologiques ou les pathologies neurologiques) un traitement chirurgical est nécessaire. L'évolution des traitements conservateurs et des techniques chirurgicales lors de ces dernières années en font un bon sujet pour une étude rétrospective. Objectif: Le but de cette étude est de mettre en évidence dans une population d'enfants ayant bénéficié d'une cure chirurgicale anti-reflux la fréquence relative des symptômes selon la pathologie initiale de l'enfant, puis de préciser le choix de traitement et sa durée. Nous analyserons également les risques d'échec qui s'y rapportent. Ces conclusions devraient nous permettre de proposer un algorithme décisionnel de prise en charge du RGO de l'enfant en pré et post-opératoire. Méthodologie: Étude rétrospective sur 9 ans se basant sur les dossiers médicaux-chirurgicaux de 132 enfants opérés d'un reflux gastro-oesophagien dans le Service de Chirurgie Pédiatrique du Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) par le Professeur Olivier Reinberg et son équipe entre le 1er janvier 2003 et le 31 décembre 2012. Résultats: Sur les 132 enfants, 93 ont bénéficié d'une fundoplicature selon Toupet, 34 selon Nissen et 5 selon Dor. 57% des enfants présentant un déficit neurologique ont été opérés selon la technique de Nissen contre 7% des enfants "sains". Les taux de démontage et de récidive sont respectivement 5.4% et 3.5 % pour la technique selon Toupet et 2.9% et 0% pour la technique de Nissen. Le taux de démontage global de la fundoplicature est de 4.6% (N=6) Conclusions: La fundoplicature est une méthode de choix pour les enfants chez qui tous les autres traitements ont échoué ou chez qui la présence concomitante du RGO et des comorbidités est délétère à une croissance harmonieuse. Grâce à la chirurgie, la qualité de vie d'au moins 95% des enfants est grandement améliorée après la disparition de symptômes quotidiens et qui peuvent donner lieu à des complications graves.

Imaging findings of bronchial atresia in fetuses, neonates and infants.

Congenital lung malformations are increasingly detected before birth. However, bronchial atresia is rarely identified in utero and not always recognized in neonates. There are two types of atresia: 1) proximal, located at the level of the mainstem or the proximal lobar bronchi, which is extremely rare and usually lethal during pregnancy, causing a tremendous volume increase of the distal involved lung with secondary hypoplasia of the normal lung, and 2) peripheral, located at the segmental/subsegmental bronchial level, which may present as an isolated lesion or as part of a complex congenital malformation. Prenatal findings are mostly nonspecific. Postnatal exams show overinflated lung areas and focal bronchial dilations. The typical fluid-filled bronchoceles are not always observed in neonates but develop progressively in the first months of life. This pictorial essay describes the spectrum of imaging findings of bronchial atresia in fetuses, neonates and infants.

"Role of long non-coing RNAs in the stressed heart". Wisper : a novel cardiac fibroblast-enriched IncRNA that modulate fibrosis in the failing heart

LncRNAs are transcripts greater than 200 nucleotides in length with no apparent coding potential. They exert important regulatory functions in the genome. Their role in cardiac fibrosis is however unexplored. To identify IncRNAs that could modulate cardiac fibrosis, we profiled the long non-coding transcriptome in the infarcted mouse heart, and identified 1500 novel IncRNAs. These IncRNAs have unique characteristics such as high tissue and cell type specificity. Their expression is highly correlated with parameters of cardiac dimensions and function. The majority of these novel IncRNAs are conserved in human. Importantly, human IncRNAs appear to be differentially expressed in heart disease. Using a computational pipeline, we identified a super-enhancer-associated IncRNA, which is dynamically expressed after myocardial infarction. We named this particular transcript Wisper for «Wisp2 super-enhancer- derived IncRNA ». Interestingly, Wisper expression is overexpressed in cardiac fibroblasts as compared to cardiomyocytes or to fibroblasts isolated from other organs than the heart. The importance of Wisper in the biology of fibroblasts was demonstrated in knockdown experiments. Differentiation of cardiac fibroblast into myofibroblasts in vitro is significantly impaired upon Wisper knockdown. Wisper downregulation in cardiac fibroblasts results in a dramatic reduction of fibrotic gene expression, a diminished cell proliferation and an increase in apoptotic cell death. In vivo, depletion of Wisper during the acute phase of the response to infarction is detrimental via increasing the risk of cardiac rupture. On the other hand, Wisper knockdown following infarction in a prevention study reduces fibrosis and preserves cardiac function. Since WISPER is detectable in the human heart, where it is associated with severe cardiac fibrosis, these data suggest that Wisper could represent a novel therapeutic target for limiting the extent of the fibrotic response in the heart. -- Les long ARN non-codants (IncRNAs) sont des ARN de plus de 200 nucléotides qui ne codent pas pour des protéines. Ils exercent d'importantes fonctions dans le génome. Par contre, leur importance dans le développement de la fibrose cardiaque n'a pas été étudiée. Pour identifier des IncRNAs jouant un rôle dans ce processus, le transcriptome non-codant a été étudié dans le coeur de'souris après un infarctus du myocarde. Nous avons découverts 1500 nouveaux IncRNAs. Ces transcrits ont d'uniques caractéristiques. En particulier ils sont extrêmement spécifiques de sous-populations de cellules cardiaques. Par ailleurs, leur expression est remarquablement corrélée avec les paramètres définissant les dimensions du coeur et la fonction cardiaque. La majorité de ces IncRNAs sont conservés chez l'humain. Certains sont modulés dans des pathologies cardiaques. En utilisant une approche bioinformatique, nous avons identifié un IncRNA qui est associé à des séquences amplificatrices et qui est particulièrement enrichi dans les fibroblastes cardiaques. Ce transcrit a été nommé Wisper pour «Wisp2 super-enhancer-derived IncRNA ». L'importance de Wisper dans la biologie des fibroblastes cardiaques est démontrée dans des expériences de déplétion. En l'absence de Wisper, l'expression de protéines impliquées dans le développement de la fibrose est dramatiquement réduite dans les fibroblastes cardiaques. Ceux-ci montrent une prolifération réduite. Le niveau d'apoptose est largement augmenté. In vivo, la déplétion de Wisper pendant la phase aiguë de l'infarctus rehausse le risque de rupture cardiaque. Au contraire, la réduction de l'expression de Wisper pendant la phase chronique diminue la fibrose cardiaque et améliore la fonction du coeur. Puisque Wisper est exprimé dans le coeur humain, ce transcrit représente une nouvelle cible thérapeutique pour limiter la réponse fibrotique dans le coeur.

Large national series of patients with Xq28 duplication involving MECP2: Delineation of brain MRI abnormalities in 30 affected patients.

Xq28 duplications encompassing MECP2 have been described in male patients with a severe neurodevelopmental disorder associated with hypotonia and spasticity, severe learning disability, stereotyped movements, and recurrent pulmonary infections. We report on standardized brain magnetic resonance imaging (MRI) data of 30 affected patients carrying an Xq28 duplication involving MECP2 of various sizes (228 kb to 11.7 Mb). The aim of this study was to seek recurrent malformations and attempt to determine whether variations in imaging features could be explained by differences in the size of the duplications. We showed that 93% of patients had brain MRI abnormalities such as corpus callosum abnormalities (n = 20), reduced volume of the white matter (WM) (n = 12), ventricular dilatation (n = 9), abnormal increased hyperintensities on T2-weighted images involving posterior periventricular WM (n = 6), and vermis hypoplasia (n = 5). The occipitofrontal circumference varied considerably between >+2SD in five patients and <-2SD in four patients. Among the nine patients with dilatation of the lateral ventricles, six had a duplication involving L1CAM. The only patient harboring bilateral posterior subependymal nodular heterotopia also carried an FLNA gene duplication. We could not demonstrate a correlation between periventricular WM hyperintensities/delayed myelination and duplication of the IKBKG gene. We thus conclude that patients with an Xq28 duplication involving MECP2 share some similar but non-specific brain abnormalities. These imaging features, therefore, could not constitute a diagnostic clue. The genotype-phenotype correlation failed to demonstrate a relationship between the presence of nodular heterotopia, ventricular dilatation, WM abnormalities, and the presence of FLNA, L1CAM, or IKBKG, respectively, in the duplicated segment.