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IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale Emilie CHIPON Ecole doctorale de Physique Directeurs de thèse Jan WARNKING et Alexandre.

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Présentation au sujet: "IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale Emilie CHIPON Ecole doctorale de Physique Directeurs de thèse Jan WARNKING et Alexandre."— Transcription de la présentation:

1 IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale Emilie CHIPON Ecole doctorale de Physique Directeurs de thèse Jan WARNKING et Alexandre KRAINIK Equipe 5 du GIN « NeuroImagerie Fonctionnelle et Métabolique »

2 Plan Contexte et objectifs de létude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives 2

3 3 Contexte et objectifs de létude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

4 Définitions Perfusion cérébrale Apports de glucose et oxygène Elimination de catabolites (CO 2, chaleur…) CBF = quantité de sang transitant par une quantité de parenchyme cérébral par unité de temps CBF 60 ml/100g/min 0,01 s -1 Propriété physiologique dynamique Modification de lhoméostasie locale et générale Ajustement actif vasomotricité Intérêts en neurosciences et en médecine Buxton, An introduction to fMRI

5 5 Activité neuronale Débit sanguin cérébral CMRO 2 Volume sanguin cérébral Variations fonctionnelles de la perfusion cérébrale Gaz circulants CO2O2 Vasoréactivité Couplage neurovasculaire Signal BOLD [dHb] Pression de perfusion Autorégulation Vasodilatation VASO IRMf BOLD IRMf q BOLD- ASL ASL

6 Intérêts de létude de la vasoréactivité cérébrale Permet destimer lintégrité fonctionnelle du système vasomoteur Médecine Diagnostic ? Caractérisation phénotypique Vulnérabilité individuelle Pathologie sténo-occlusive, neuro-oncologie, épilepsie, m. neuro- dégénératives, psychiatrie,… Neurosciences Calibration pour létude du couplage neurovasculaire : IRMf quantitative Etude physiopathologique 6

7 Etude de la vasoréactivité cérébrale Agents vasomoteurs Injection dacétazolamide CBF 20-30% Tâche ventilatoire – Apnée (20s) CBF jusquà 60% – Hyperventilation (1 min) CBF jusquà 25% Inhalation de gaz – CO 2 (5-7%) CBF 40 – 80% – O 2 (100%) CBF 7 – 31% Variations physiologiques avec lâge, le sexe, le nycthémère Variations pathologiques en pathologie sténo-occlusive, M. Alzheimer, … 7 Pfefferkorn 2001, Hamzei 2003, Rostrup 2005, Silvestrini 2006

8 Objectifs de la thèse Développements méthodologiques Séquence de mesure de la perfusion cérébrale par marquage des spins artériels (ASL) Optimisation de la séquence ASL Mise en place du protocole expérimental pour létude de la vasoréactivité cérébrale 8

9 Contexte et objectifs de létude Développements méthodologiques IRM 3T recherche IFR1 Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

10 Le marquage des spins artériels Arterial Spin Labeling, ASL Méthode dynamique et non invasive Marqueur endogène le proton de leau du sang artériel Méthode différentielle : 2 types dacquisitions 10 Image de contrôle Image de marquage Une image pondérée en perfusion 1% de spins marqués - = Répétition NR × Moyenne des 120 différences 120 contrôles120 marquages - =

11 11 Quantifier le débit sanguin cérébral Le modèle cinétique de Buxton [1] Buxton et al,1998 t : temps de transit du sang débit ROI marquage temps signal de perfusion t TI 2 t + τ τ : largeur temporelle du marquage

12 Quantifier des variations de débit sanguin cérébral 12 temps signal de perfusion débit ROI marquage TI 2 saturation TI 1 Wong et al, 1998 Saturation : met fin au marquage signal indépendant de τ t

13 Quantifier une augmentation globale de débit sanguin cérébral 13 temps signal de perfusion débit ROI marquage t TI 2 saturation TI 1

14 marquage post-saturation TI1 TI2 90° acquisition 90° 180° G lecture pré-saturation RF G coupe 90 ° G phase Séquence développée : QUIPSS II (1) (1) Wong et al, contrôle 180°

15 Optimisations de la séquence QUIPSS II S perfusion 1% du S contrôle ou S marquage SNR perf Objectifs : avoir le meilleur SNR c/m signal « contrôle – marquage » le plus grand optimiser chaque élément de la séquence 15 NR 2 × q × SNR c/m q : quantité de spins qui participent au signal

16 Optimisation de limpulsion de marquage Objectif : profil de coupe de limpulsion dinversion uniforme Pour une durée dimpulsion lefficacité α du marquage est fonction de langle de basculement Compromis : efficacité de marquage énergie RF acceptable 16 Protocole expérimental Inversion sur 7 paquets de 5 coupes Acquisition immédiate Permutation des coupes Répétition du protocole 150° < θ < 174° Ajustement de léquation sur les données M(TI) = M 0t (1 - 2α exp ( )) Isocentre - TI T 1t ROI marquage Résultats Efficacité > 90% au bord de lantenne Bord antenne

17 Détermination de la zone utile de lantenne Homogénéité de B1 bonne au centre de lantenne se détériore en séloignant du centre diminution de lefficacité des impulsions 17 Objectif Définir la zone de couverture de lantenne Optimiser la géométrie de la zone de marquage : 100 mm Principe Efficacité moyenne de limpulsion dinversion sur 100 mm Résultats ROI marquage Bord antenne marquage Isocentre

18 Optimisation des impulsions de saturation Faible efficacité de la saturation Utilisation de plusieurs impulsions à la suite 18 Protocole expérimental Même protocole que pour linversion 2 impulsions de saturation de 10 ms séparées de 25 ms Répétition du protocole 70° < θ < 90° Ajustement de léquation sur les données M(TI) = M 0t (1- α exp ( )) - TI T 1t ROI saturation Résultats Bord antenne Bonne efficacité + stabilité Bord antenne

19 Gap minimum entre la zone de marquage et la ROI Intérêt du gap Limiter les contaminations RF de limpulsion de marquage sur la ROI Inconvénients du gap Augmente le temps de transit Diminue le signal de perfusion par relaxation T 1 19 Protocole Séquence QUIPSS II TI 1 = 100 ms pas de S perfusion TI 2 = 250 ms + TI 2 long M O 80 répétitions 0 < gap < 10 mm Analyse : ROI marquage gap saturation (contrôle – marquage) M 0 Résultats

20 Optimisations des délais TI 1 et TI 2 Variations de perfusion Etat physiologique Age 20 (t) : temps de transit τ : largeur temporelle du marquage Echantillonner le signal de perfusion à plusieurs TI déterminer t et τ par ajustement du modèle de Buxton 0 2M 0b f (t-t) α exp( )q p (t) 2M 0b f τ α exp( ) q p (t) 0 < t < t t < t < τ + t τ + t < t M(t) = - t T 1b - t T 1b TI 1 < τ TI 2 > TI 1 + t

21 Optimisations des délais TI 1 et TI 2 Protocole expérimental Pas de saturation : mesure de τ 350 < 8 TI < 2200 ms 120 répétitions à chaque TI Résultats 21 t (ms) 488 ± ± ± ± ± 15 τ (ms) 1365 ± ± ± ± ± 123 f (mL/100g/min) 61,2 ± 4,3 58,2 ± 2,4 60,6 ± 4,9 58,2 ± 3,9 59,4 ± 1,2 Sujet 1 Sujet 2 Sujet 3 Sujet 4 Moyenne ±SD ROI marquage

22 Optimisations des délais TI 1 et TI 2 Conditions pour une valeur quantitative de perfusion : TI 1 < τ soit TI 1 < 1159 ms TI 2 > TI 1 + t soit TI 2 > TI ms Pour des augmentations de 100% de perfusion : TI 1 < 580 ms TI 2 > 1040 ms Choix : TI 1 = 550 ms TI 2 = 1250 ms 22

23 Caractérisation individuelle du bolus : objectif Durée τ du bolus des spins marqués dépend position du marquage géométrie vasculaire vitesse du sang état physiologique, âge, ….. Pour chaque sujet Il existe un TI1 optimal qui maximise le SNR déterminer la durée de bolus des spins marqués choisir le TI1 23 facteurs liés au sujet

24 Caractérisation du bolus des spins marqués : Matériels et méthodes Séquence ASL avec acquisition à plusieurs TI Une seule coupe dintérêt TE=21,6 ms ; TR=2800ms NEX=12, Tacq=33 s 12 sujets : 18 à 65 ans 24 marquage 100 mm 5 mm EPI 75 ms 32 × marquage pré-sat 2400 ms EPI A P D G Ajustement des données avec un modèle de dispersion gaussienne de la fonction dentrée artérielle τ 1 = 84±33 ms τ 2 = 730±55 ms σ 1 = 454±134 ms σ 2 = 317±45 ms 647±64 ms

25 Caractérisation du bolus des spins marqués : résultats 25 Etudes de ASL 600 < TI 1 < 800 ms 100 mm de marquage AntérieurPostérieurGaucheDroite Durée de bolus moyenne (ms) 510 ± ± ± ± 182

26 Contexte et objectifs de létude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

27 Optimisation du protocole expérimental Gaz utilisés Modes dadministration Canules nasales : 6 l/min maximum Masque haute concentration : 8 l/min minimum Echantillonnage des gaz expirés Appareil Maglife® et canules nasales déchantillonnage PetCO 2, P insp CO 2, fréquence respiratoire, pouls 27 CO 2 : vasodilatateur O 2 : vasoconstricteur O2O2 CO 2 8 % 21 % CarbogèneBactal CO 2 O2O2 N2N2 71 % 7 % 93 %

28 Comparaison « canules/masque » 28 AIR CARBOGENE t (min) 2 volontaires sains Séquence ASL : 2 acquisitions Canules nasales, 6 l/min Masque HC, 12l/min + canules déchantillonnage Débit limité à 6 l/min Peu encombrant Bien toléré Débit minimal de 8 l/min Encombrant Plus anxiogène Objectif : disposer dun mode dadministration fiable

29 Comparaison « canules/masque » : résultats Sujet 1 29 Sujet 2 CBF CBF 0 % -18,6 ± 5,2 14,1 ± 3,3-11,4 ± 1,211,7 ± 4,3 BOLD BOLD 0 % (2,0 ± 1,2) ,50 ± 0,081,30 ± 0,023,3 ± 0,6 PetCO 2 = 8 mmHg PetCO 2 = 4,8 mmHg canules masque

30 Comparaison « canules/masque » : discussion 30 Meilleur contrôle des CBF Contrôle la PetCO 2 Plus encombrant Peuvent sortir des narines Inhalation uniquement par les narines Inspiration : dilution du CO 2 par de lair Pas de contrôle de la PetCO 2

31 Etude de leffet de linhalation du carbogène sur le signal de perfusion Carbogène : mélange O 2 /CO 2 CO 2 : vasodilatation 0 2 : vasoconstriction Gaz très utilisé en clinique Peu détudes de vasoréactivité avec ce gaz Objectifs Quelles sont les variations de perfusion sous carbogène à différentes concentrations en CO 2 ? Peut-on utiliser le carbogène pour étudier la vasoréactivité cérébrale ? 31

32 Etude de leffet de linhalation du carbogène sur le signal de perfusion 32 t (min) 7% CO 2 93% O 2 AIR ,5 % CO 2 96,5 % O 2 0% CO % O 2 1,75 % CO 2 98,25 % O 2 5,25 % CO 2 94,75 % O 2 6 sujets sains : 20 à 26 ans Séquence ASL TI 1 = 550 ms, TI 2 = 1250 ms 8 coupes, TE = 24 ms, TR= 3000 ms Masque HC : 12 l/min 5 mélanges dans un ordre aléatoire Echantillonnage des gaz avec le Maglife® 100 mm 5 mm saturation marquage

33 Etude de leffet de linhalation du carbogène sur le signal de perfusion Extraction des cartes de CBF à chaque concentration avec le logiciel SPM Calcul dun masque pour sélectionner Deux ROI avec la boîte à outil WFU PickAtlas [1] lobes frontal et pariétal Voxels de matière grise Voxels avec une perfusion significative à létat basal (p<0,05) Calcul de Moyenne de PetCO 2 pour chaque concentration Suppression des données acquises une minute après chaque transition entre deux gaz 33 [1] Maldjian et al, 2003 CBF CBF 0

34 Etude de leffet de linhalation du carbogène sur le signal de perfusion % % CO % O % C % O % C % O % C % O 2 7 % C ,7 %-5,4 %-1,9 %+9,5 %+24,7 % AIR CBF CBF 0

35 Etude de leffet de linhalation du carbogène sur le signal de perfusion 35 PARIETALFRONTAL CBF/CBF 0 = 20,3 ± 6,3 % PetCO 2 = 7,2 ± 3,8 mmHg CBF/CBF 0 = -7,5 ± 6,9 % PetCO 2 = -1,2 ± 0,7 mmHg 7% CO 2 100% O 2 CVR =3,5 %/mmHg PetCO 2 = 1,9 mmHg

36 Mise en application IRM 1,5T clinique Philips 36

37 Mise en application (1,5T) Clinique : pathologie sténo-occlusive Pathologie Rétrécissement de la lumière artérielle par athérosclérose Conséquence Vasodilatation en aval de la sténose par autorégulation Diminution de la réserve vasculaire Risque Si hypodébit ischémie cérébrale Prévention Traitement chirurgical Evaluation de la réserve vasculaire Mesure de la perfusion cérébrale sous air et agent vasomoteur 37 Ziyeh 2005, van der Zande 2005, Haller 2008

38 38 Occlusion Sténose serrée Patient 69 ans Evaluation de la réserve vasculaire Séquence ASL avec caractérisation du bolus Inhalation alternée : air et 8% CO 2 Masque HC Occlusion de lartère carotide droite Sténose à 80% de lartère carotide gauche Mise en application (1,5T) Clinique : pathologie sténo-occlusive

39 39 PERFUSION 8% CO2

40 Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie dAlzheimer Maladie neurodégénérative : démence Plaques séniles (parenchyme, vaisseaux cérébraux) Dégénérescence neurofibrillaire Déplétion des neurones cholinergiques Altérations de la BHE Diminution de la perfusion cérébrale (frontale, pariétale,…) Altérations de la vasoréactivité 40 Oishi 1999, Johnson 2005, Silvestrini 2006

41 Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie dAlzheimer Objectifs de létude : Préciser lexistence et la topographie des altérations de la vasoréactivité Sujets atteints de la maladie dAlzheimer débutante Sujets à risque (trouble cognitif léger amnésique) Sujets sains Protocole Séquence ASL avec caractérisation de la durée de bolus Inhalation de 8% CO 2 et dair, périodes de 2 minutes Masque HC 41

42 Résultats 14 sujets : 2 abandons, 1 mouvement de la tête 42 Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie dAlzheimer A1 A2 A3moyenne±SD 70,4 ± 6,1 21,5 ±2,4 32,5 ±2,641,5 ± 25,6 C1 C2 C3 C4moyenne±SD T1 T2 T3 T4 moyenne±SD 31,9 ± 2,420,7 ± 263 ± 4,853,6 ± 1,642,3 ± 19,4 51,2 ± 1,653,5 ± 5,342,8 ± 2,446,1 ± 1,748,4 ± 4,8 CBF CBF 0 % CBF CBF 0 % CBF CBF 0 % Résultats préliminaires Optimisations : corrections des effets de volume partiel Contrôle Alzheimer A risque

43 43 Contexte et objectifs de létude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

44 Conclusion Implémentation et optimisation dune séquence de perfusion par marquage des spins artériels Développement dune méthode originale de caractérisation du bolus de sang marqué Mise au point du protocole expérimental de limagerie de la vasoréactivité cérébrale (protocole, analyse des données) Caractérisation des variations de perfusion sous carbogène Mise en application : premiers résultats encourageants

45 Perspectives Acquisition des images Valider la caractérisation de la durée de bolus Augmentation du SNR : passage de 1,5T à 3T clinique Stimulus Meilleur contrôle de ladministration des gaz : automatisation Analyse des données Prise en compte de latrophie cérébrale : correction des effets de volume partiel Intégration de la dynamique de la PetCO2 dans lanalyse 45

46 Merci de votre attention 46


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