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Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)

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1 Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM) UMR CNRS Aix Marseille Université Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone, Marseille

2 IRM "Tissulaire" Diffusion Transfert d aimantation Anatomie T 1 w et T 2 w IRM Hémodynamique Perfusion Bolus tracking Spin labelling Fonction IRMf Angiographie RM Exploration du cerveau par Résonance Magnétique Métabolisme Spectrométrie In vivo

3 Angio-MR Perfusion MRI Diffusion MRI MRI -Flash T2* MRS fMRI LAC / NAA Metabolic Imaging

4 Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale CEMEREM-CRMBM-Marseille NAA tCr tCho

5 IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE

6 Prix Nobel de Physique 1952 Félix BlochEdward Purcell IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE

7 Prix Nobel de Médecine ou Physiologie 2003 Paul LauterburPeter Mansfield L IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE

8 Prix Nobel de Chimie 1991 Prix Nobel de Chimie 2002 Richard ErnstKurt Wuthrich LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE

9 SRM CEREBRALE IRM et SRM utilisent le même appareil. Pour le patient, les conditions sont identiques à celles d une IRM cérébrale. Siemens Vision Plus 1,5 T

10 PRINCIPE DE LA SRM DE LA SRM

11 IMAGERIE et SPECTROMETRIE

12 IRM : recueil du signal des molécules d eau présentes dans les cellules IMAGE (caractérisation anatomique)

13 IMAGERIE et SPECTROMETRIE IRM : recueil du signal des molécules d eau présentes dans les cellules SRM : recueil du signal des autres molécules présentes dans les cellules (métabolites) IMAGE (caractérisation anatomique) SPECTRE (caractérisation métabolique) SPECTRE (caractérisation métabolique)

14 NMR signal TF IRM In vivo MRS, MRI 100 M

15 NMR signal TF MRI In vivo MRS, MRI 100 M water metabolites

16 NMR signal TF MRI MRS In vivo MRS, MRI 100 M 1-10 mM NMR signal water metabolites

17 H2O IRM Impulsion RF TF B 0 et Gradients

18 H2O SRM B0B0B0B0 Impulsion RF II TF

19 H H eau éthanol OHOHOHOH CH2CH2CH2CH2 CH3CH3CH3CH3 Déplacement chimique H2OH2O H H H H ppm

20 Deux règles de base 1.Le déplacement chimique (fréquence de résonance) des protons d une molécule donnée est constant. Il caractérise la molécule. 2.L intensité du signal varie en fonction de la concentration. II H H

21 IRM IMAGE Information anatomique SPECTRE Information métabolique Concentration TE = 135 ms SRM NAA Cr/PCr CHO

22 Spectrométrie Localisée à Temps d Echo Long CEMEREM-CRMBM-Marseille NAA tCr tCho

23 NAA Lipides tCr tCho Ins Glx Spectrométrie Localisée à Temps d Echo court CEMEREM-CRMBM, UMR CNRS 6612, Marseille

24 Proton MRS spectrum of the human brain 1.5 T vs 3T PRESS 35 ms

25 Métabolites cérébraux observés par SRM N-Acétyl Aspartate GABA Glutamate/ Glutamine Glucose myo-Inositol scyllo-Inositol Taurine Composés de la Choline Créatine/ PhosphoCréatine Lactate Succinate, Leucine, Alanine, Acétate Lipides

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30 Spectre calculé Spectre réel

31 NAA NAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale NAA Cr/PCr CHO Lac TE = 135 ms Lac Lac (Lactate) : témoin d un processus ischémique, d un dysfonctionnement mitochondrial ou d une infiltration macrophagique CHO CHO (Choline) : marqueur des membranes (lésions, renouvellement), de la myéline ou d une inflammation (bétaïne) Cr/PCr Cr/PCr (Créatine-Phosphocréatine) : marqueur de densité cellulaire

32 mI: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale) mI Cho Cr NAA Cr Glx: glutamine-glutamate, (« neurotransmetteurs » ) métabolisme NH3, excitotoxicité. Glx Lip: lipides, nécrose ou contamination (scalp) intégrité membranaire, dyslipidémies... Lip TE = 35 ms

33 ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL Neurones Cellules Gliales Astrocyte Oligodendrocyte Myéline Microglie et macrophages METABOLISME NEURO-GLIAL METABOLISME NEURO-GLIAL

34 Neuron Plasmic Membrane Glial Plasmic Membrane N-Acétyl Aspartate NAA Concentration élevée Rôle dans la synthèse protéique Rôle dans la synthèse lipidique? Stockage de lAspartate? Métabolite du NAAG ? Osmorégulation ?

35 GLUTAMATE et GLUTAMINE NEURONASTROCYTE glutamine glutamate GABA glutamate glutamine NH3 glutaminase Glutamic acid decarboxylase (GAD) GABA transaminase Glutamine synthetase CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE

36 Exploration du métabolisme cérébral par SRM 1 H in vivo AA EXCITATEUR myo-Inositol glycine choline et dérivés créatine phosphocréatine N-acétyl aspartate -protéines -acides aminés -lipides mobiles -si acide lactique glutamate (neurones) glutamine (glie ) MALADIES METABOLIQUES METABOLISMEMEMBRANAIRE MYELINISATION/DEMYELINISATION ANOXIE INFLAMMATION EXCITOTOXICITE METABOLISMENH 3 CYCLEGLUTAMINE-GLUTAMATE CELLULARITE BIOENERGÉTIQUE MARQUEUR GLIAL METABOLISMEMEMBRANAIRE MYELINISATION/DEMYELINISATION INFLAMMATION PROCESSUS TUMORAL taurine scyllo-inositol OSMOLYTES OSMOLYTE MARQUEUR GLIAL AA EXCITATEUR MARQUEUR NEURONAL ppm

37 Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d exploration non-invasive du métabolisme cérébral

38 Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d exploration non-invasive du métabolisme cérébral - Réalisée au décours d un examen « classique » d IRM

39 Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d exploration non-invasive du métabolisme cérébral - Réalisée au décours d un examen « classique » d IRM - Dosage de molécules issues du métabolisme de divers types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….)

40 Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d exploration non-invasive du métabolisme cérébral - Réalisée au décours d un examen « classique » d IRM - Dosage de molécules issues du métabolisme de divers types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….) - Analyse objective et quantifiée de la souffrance cérébrale

41 MONOVOXEL LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES

42 MONOVOXEL MULTIVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2D) Imagerie métabolique LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES

43 SRM monovoxel: Méthode de localisation La sélection du volume sensible (VOXEL) est le résultat de 3 excitations sélectives successives dans trois plans orthogonaux

44 SRM monovoxel: Méthode de localisation - STEAM / VEST / VOSY (stimulated echo acquisition mode) - PRESS ( point resolved spectroscopy) - CHESS (élimination du signal de leau) Sensibilité: PRESS > STEAM Résolution Spatiale: STEAM > PRESS DEUX METHODES :

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46 STEAM PRESS

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53 Coupe sagittale Coupe transverse Coupe coronale SPECTRE

54 Diagnostic positif de tumeur CHOLINE NAA Controlatéral normal Avantages rapide (1 mn) traitement simple Inconvénient un seul voxel Spectrométrie monovoxel

55 Techniques de localisation monovoxel SRM du pôle temporal droit CEMEREM-Marseille SRM du pôle temporal gauche

56 MONOVOXEL MULTIVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2D) Imagerie métabolique LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES

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58 FID 1 pulse FID 1 pulse Gx Gy Gz Acquisition 2D Phase encoding Number of acquisitions: N x N y

59 FID 1 pulse FID 1 pulse Gx Gy Gz Acquisition 3D Phase encoding Number of acquisitions: N x N y N z

60 /2 TE/2 SPIN ECHO 2D Phase encoding Gx Gy Gz Slice selection Number of acquisitions: N x N y

61 Imagerie métabolique avec tranches de saturation OVS = outer volume saturation

62 SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE Méthode de localisation Lacquisition simultanée dune matrice spatiale 1D, 2D ou 3D de spectres est réalisée après excitation et codage de phase. carte de spectres

63 SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE

64 CARTE DES SPECTRES

65 IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton) CARTE DES SPECTRES

66 Résolution 11 x 11 mm CARTOGRAPHIE NAA CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612

67 Plan Bihippocampique CA-CP + 8mm Positionnement des coupes en imagerie métabolique

68 Temporal Néocortex Hippocampe Postérieur Hippocampe Antérieur Gche CEMEREM-Marseille Sujet contrôle

69 SAGITTAL CSI 2D 135 ms Posterior Fossa D. Galanaud et al. MAGMA 13 (2001) CEMEREM-CRMBM, Marseille Mesancephalon Cerebellar WM Medulla oblongata Pons Vermis

70 Imagerie métabolique protonique sagittale médiane 1) Genou 2) Partie Antérieure 3) Partie Postérieure NAA CrCho 4) Splénium NAA : N-acétyl-aspartate Cr:Créatine,Phosphocréatine Cho: Choline Exploration IRM/SRM centrée sur le CC (Ranjeva et al., Multiple Sclerosis 2003) Taille CCMDMTR

71 ppm Cho NAA ppm Lesion TE = 135 ms Controlateral TE = 135 ms Diagnostic positif de tumeur

72 Gliomes : Diagnostic dextension Guidage du geste biopsique

73 IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton) CARTE DES SPECTRES image ( 1 )image ( 3 ) image ( 2 )image ( 4 ) NAA Cr CHO Lactate

74 IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton) CARTE DES SPECTRES image du lactate à 4 ( 4 )

75 CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 NAACHOCr IMAGERIE METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION TE = 135 ms NAA CHOCr NAA CHO Cr

76 CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal of Neurosurgery (2003) 98:

77 CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal of Neurosurgery (2003) 98:

78 Imagerie métabolique des tumeurs Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Cho/Cr

79 Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade SVS TE=20 ms NAA Cr Cho mI

80 Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Analyse en Composantes Principales des Métabolites Analyse en Composantes Principales des Métabolites F2 Cho/S Ins/S NAA/S Cr/S LGG NV GC SV TE=20 ms F1

81 SRM CÉRÉBRALE EN 2007 VOXEL UNIQUE 1995 : 2 x 2 x 2 = 8 mlAT = 30 min. STEAM 20 ms 2007 : 1,5 x 1,5 x 1,5 = 3,4 mlAT = 54 sec. PRESS 40 ms

82 SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 2D Standard : matrice 21 x 21 voxelsAT = 10 min. voxel cylindrique : 5,7 ml(d = 2,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm Haute résolution : matrice 33 x 33 voxelsAT = 28 min. voxel cylindrique : 1,5 ml(d = 1,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm

83 SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 3D (PEPSI) matrice 21 x 21 x 64 voxels AT = 10 min. voxel cylindrique : 2,3 ml (d = 2,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm x 470 mm sélection de tranche sur 80 mm

84 Spectrométrie monovoxel -> 1 seul volume dintérêt Imagerie métabolique -> plusieurs volumes dintérêt < 5 minutes Robuste Fiable Information spatiale limitée 10 minutes + (12 min pour 21x21 voxels de 5ml) Information spatiale plus importante

85 Capacité technique SRM Recherche SRM Clinique IRM Facilité d'utilisation IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (1995)

86 Capacité technique SRM Recherche SRM Clinique IRM Facilité d'utilisation IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (2007)

87 Impact diagnostique et thérapeutique SRM Recherche SRM Clinique IRM Bénéfice pour le patient IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (1995)

88 Impact diagnostique et thérapeutique SRM Recherche SRM Clinique IRM Bénéfice pour le patient IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (2007)


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