IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale

Présentation au sujet: "IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale"— 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 l’étude Développements méthodologiques
Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

3 Contexte et objectifs de l’étude
Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

4 Définitions Perfusion cérébrale Propriété physiologique dynamique
Apports de glucose et oxygène Elimination de catabolites (CO2, 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 l’homéostasie locale et générale Ajustement actif  vasomotricité Intérêts en neurosciences et en médecine Buxton, An introduction to fMRI 2002

5 Variations fonctionnelles de la perfusion cérébrale
Gaz circulants CO2 O2 Vasoréactivité Activité neuronale Pression de perfusion Autorégulation Couplage neurovasculaire Vasodilatation IRMf q BOLD- ASL ASL VASO CMRO2 Volume sanguin cérébral Débit sanguin cérébral [dHb] IRMf BOLD Signal BOLD

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

7 Etude de la vasoréactivité cérébrale
Agents vasomoteurs Injection d’acétazolamide  ↑ CBF 20-30% Tâche ventilatoire Apnée (20s) CBF  ↑ jusqu’à 60% Hyperventilation (1 min)  ↓ CBF jusqu’à 25% Inhalation de gaz CO2 (5-7%)  ↑ CBF 40 – 80% O2 (100%)  ↓ CBF 7 – 31% Variations physiologiques avec l’âge, le sexe, le nycthémère Variations pathologiques en pathologie sténo-occlusive, M. Alzheimer, … 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 l’étude de la vasoréactivité cérébrale

9 Développements méthodologiques
Contexte et objectifs de l’étude 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 l’eau du sang artériel Méthode différentielle : 2 types d’acquisitions Répétition NR × Image de contrôle Image de marquage Une image pondérée en perfusion 1% de spins marqués - = Moyenne des 120 différences 120 contrôles 120 marquages - =

11 Quantifier le débit sanguin cérébral Le modèle cinétique de Buxton[1]
∆t : temps de transit du sang τ : largeur temporelle du marquage ROI . ∆t ∆t + τ TI2 temps signal de perfusion marquage débit Buxton et al,1998‏

12 Quantifier des variations de débit sanguin cérébral
Saturation : met fin au marquage  signal indépendant de τ ∆t TI1 TI2 ROI temps signal de perfusion . saturation marquage débit Wong et al, 1998‏

13 Quantifier une augmentation globale de débit sanguin cérébral
ROI . temps signal de perfusion saturation marquage débit

14 Séquence développée : QUIPSS II(1)
acquisition 90° pré-saturation marquage contrôle post-saturation TI1 TI2 180° 180° RF Gcoupe 90° Gphase 90° Glecture (1) Wong et al, 1998

15 Optimisations de la séquence QUIPSS II
Sperfusion ≈ 1% du Scontrôle ou Smarquage SNRperf ≈ Objectifs : avoir le meilleur SNRc/m signal « contrôle – marquage » le plus grand  optimiser chaque élément de la séquence NR 2 × q × SNRc/m q : quantité de spins qui participent au signal

16 Optimisation de l’impulsion de marquage
ROI marquage Objectif : profil de coupe de l’impulsion d’inversion uniforme Pour une durée d’impulsion l’efficacité α du marquage est fonction de l’angle de basculement Compromis : efficacité de marquage énergie RF acceptable Protocole expérimental Inversion sur 7 paquets de 5 coupes Acquisition immédiate Permutation des coupes Répétition du protocole ° < θ < 174° Ajustement de l’équation sur les données M(TI) = M0t (1 - 2α exp ( )) Résultats Efficacité > 90% au bord de l’antenne Bord antenne Isocentre - TI T1t

17 Détermination de la zone utile de l’antenne
Homogénéité de B1 bonne au centre de l’antenne se détériore en s’éloignant du centre  diminution de l’efficacité des impulsions ROI marquage Objectif Définir la zone de couverture de l’antenne Optimiser la géométrie de la zone de marquage : 100 mm Principe Efficacité moyenne de l’impulsion d’inversion sur 100 mm Résultats Bord antenne marquage Isocentre

18 Optimisation des impulsions de saturation
ROI saturation Faible efficacité de la saturation  Utilisation de plusieurs impulsions à la suite Résultats Bord antenne Bonne efficacité + stabilité Protocole expérimental Même protocole que pour l’inversion 2 impulsions de saturation de 10 ms séparées de 25 ms Répétition du protocole 70° < θ < 90° Ajustement de l’équation sur les données M(TI) = M0t (1- α exp ( )) Bord antenne - TI T1t

19 Gap minimum entre la zone de marquage et la ROI
Intérêt du gap Limiter les contaminations RF de l’impulsion de marquage sur la ROI Inconvénients du gap Augmente le temps de transit Diminue le signal de perfusion par relaxation T1 ROI gap saturation marquage Protocole Séquence QUIPSS II TI1 = 100 ms  pas de Sperfusion TI2 = 250 ms + TI2 long  MO 80 répétitions 0 < gap < 10 mm Analyse : Résultats (contrôle – marquage) M0

20 Optimisations des délais TI1 et TI2
TI2 > TI1 + ∆t Variations de perfusion Etat physiologique Age ∆(∆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 2M0bf (t-∆t) α exp( )qp(t) 2M0bf τ α exp( ) qp(t) 0 < t < ∆t ∆t < t < τ + ∆t τ + ∆t < t ∆M(t) = - t T1b

21 Optimisations des délais TI1 et TI2
Protocole expérimental Pas de saturation : mesure de τ 350 < 8 TI < 2200 ms 120 répétitions à chaque TI Résultats ROI marquage Sujet 1 Sujet 2 Sujet 3 Sujet 4 Moyenne ±SD τ (ms) 1365 ± 75 1433 ± 46 1400 ± 68 1159 ± 87 1339 ± 123 ∆t (ms) 488 ± 130 507 ± 124 471 ± 108 480 ± 75 486 ± 15 f (mL/100g/min) 61,2 ± 4,3 58,2 ± 2,4 60,6 ± 4,9 58,2 ± 3,9 59,4 ± 1,2

22 Optimisations des délais TI1 et TI2
Conditions pour une valeur quantitative de perfusion : TI1 < τ soit TI1 < 1159 ms TI2 > TI1 + ∆t soit TI2 > TI ms Pour des augmentations de 100% de perfusion : TI1 < 580 ms TI2 > 1040 ms Choix : TI1 = 550 ms TI2 = 1250 ms

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 facteurs liés au sujet

24 Caractérisation du bolus des spins marqués : Matériels et méthodes
Séquence ASL avec acquisition à plusieurs TI Une seule coupe d’intérêt TE=21,6 ms ; TR=2800ms NEX=12, Tacq=33 s 12 sujets : 18 à 65 ans EPI 75 ms 32× marquage pré-sat 2400 ms A P D G marquage 100 mm 5 mm τ1 = 84±33 ms τ2 = 730±55 ms σ1 = 454±134 ms σ2 = 317±45 ms 647±64 ms Ajustement des données avec un modèle de dispersion gaussienne de la fonction d’entrée artérielle

25 Caractérisation du bolus des spins marqués : résultats
Antérieur Postérieur Gauche Droite Durée de bolus moyenne (ms) 510 ± 251 860 ± 170 532 ± 127 581 ± 182 Etudes de ASL 600 < TI1 < 800 ms 100 mm de marquage

26 Etude de la vasoréactivité cérébrale
Contexte et objectifs de l’étude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

27 Optimisation du protocole expérimental
Gaz utilisés Modes d’administration Canules nasales : 6 l/min maximum Masque haute concentration : 8 l/min minimum Echantillonnage des gaz expirés Appareil Maglife® et canules nasales d’échantillonnage PetCO2, PinspCO2, fréquence respiratoire, pouls O2 CO2 8 % 21 % Carbogène Bactal N2 71 % 7 % 93 % CO2 : vasodilatateur O2 : vasoconstricteur

28 Comparaison « canules/masque »
Débit limité à 6 l/min Peu encombrant Bien toléré Débit minimal de 8 l/min Encombrant Plus anxiogène Objectif : disposer d’un mode d’administration fiable 2 volontaires sains Séquence ASL : 2 acquisitions Canules nasales, 6 l/min Masque HC, 12l/min + canules d’échantillonnage AIR CARBOGENE 2 5 8 11 12 t (min)

29 Comparaison « canules/masque » : résultats
Sujet 1 Sujet 2 canules masque canules masque ∆BOLD BOLD0 % (2,0 ± 1,2) .10-2 1,50 ± 0,08 1,30 ± 0,02 3,3 ± 0,6 ∆CBF CBF0 % -18,6 ± 5,2 14,1 ± 3,3 -11,4 ± 1,2 11,7 ± 4,3 ∆PetCO2 = 8 mmHg ∆PetCO2 = 4,8 mmHg

30 Comparaison « canules/masque » : discussion
Peuvent sortir des narines Inhalation uniquement par les narines Inspiration : dilution du CO2 par de l’air Pas de contrôle de la PetCO2 Meilleur contrôle des ∆CBF Contrôle la PetCO2 Plus encombrant

31 Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion
Carbogène : mélange O2/CO2 CO2 : vasodilatation 02 : vasoconstriction Gaz très utilisé en clinique Peu d’études de vasoréactivité avec ce gaz Objectifs Quelles sont les variations de perfusion sous carbogène à différentes concentrations en CO2 ? Peut-on utiliser le carbogène pour étudier la vasoréactivité cérébrale ?

32 Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion
6 sujets sains : 20 à 26 ans Séquence ASL TI1 = 550 ms, TI2 = 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 t (min) 7% CO2 93% O2 AIR 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 3,5 % CO2 96,5 % O2 0% CO2 100 % O2 1,75 % CO2 98,25 % O2 5,25 % CO2 94,75 % O2

33 Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion
Extraction des cartes de CBF à chaque concentration avec le logiciel SPM Calcul d’un 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 l’état basal (p<0,05) Calcul de Moyenne de PetCO2 pour chaque concentration Suppression des données acquises une minute après chaque transition entre deux gaz ∆CBF CBF0 [1] Maldjian et al, 2003

34 Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion
AIR ∆CBF CBF0 -18,7 % -5,4 % -1,9 % +9,5 % +24,7 % 100% 02 0 % CO2 94.75 % O2 5.25 % C02 98.25 % O2 1.75 % C02 96.5 % O2 3.5 % C02 93 % O2 7 % C02

35 Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion
∆CBF/CBF0 = 20,3 ± 6,3 % ∆PetCO2 = 7,2 ± 3,8 mmHg 7% CO2 FRONTAL PARIETAL CVR =3,5 %/mmHg 100% O2 ∆CBF/CBF0 = -7,5 ± 6,9 % ∆PetCO2 = -1,2 ± 0,7 mmHg ∆PetCO2 = 1,9 mmHg

36 Mise en application IRM 1,5T clinique Philips

37 Mise en application (1,5T) Clinique : pathologie sténo-occlusive
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 Ziyeh 2005‏, van der Zande 2005, Haller 2008

38 Mise en application (1,5T) Clinique : pathologie sténo-occlusive
Patient 69 ans Occlusion de l’artère carotide droite Sténose à 80% de l’artère carotide gauche Occlusion Sténose serrée Evaluation de la réserve vasculaire Séquence ASL avec caractérisation du bolus Inhalation alternée : air et 8% CO2 Masque HC

39 Mise en application (1,5T) Clinique : pathologie sténo-occlusive
PERFUSION 8% CO2

40 Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie d’Alzheimer
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 Oishi 1999, Johnson 2005, Silvestrini 2006‏

41 Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie d’Alzheimer
Objectifs de l’étude : Préciser l’existence et la topographie des altérations de la vasoréactivité Sujets atteints de la maladie d’Alzheimer débutante Sujets à risque (trouble cognitif léger amnésique) Sujets sains Protocole Séquence ASL avec caractérisation de la durée de bolus Inhalation de 8% CO2 et d’air, périodes de 2 minutes Masque HC

42 Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie d’Alzheimer
Résultats 14 sujets : 2 abandons, 1 mouvement de la tête Contrôle C C C C4 moyenne±SD ∆CBF CBF0 % 31,9 ± 2,4 20,7 ± 2 63 ± 4,8 53,6 ± 1,6 42,3 ± 19,4 Alzheimer A A A3 moyenne±SD ∆CBF CBF0 % 70,4 ± 6,1 21,5 ±2,4 32,5 ±2,6 41,5 ± 25,6 A risque T T T3 T4 moyenne±SD ∆CBF CBF0 % 51,2 ± 1,6 53,5 ± 5,3 42,8 ± 2,4 46,1 ± 1,7 48,4 ± 4,8 Résultats préliminaires Optimisations : corrections des effets de volume partiel

43 Conclusions et perspectives
Contexte et objectifs de l’étude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

44 Conclusion Implémentation et optimisation d’une séquence de perfusion par marquage des spins artériels Développement d’une méthode originale de caractérisation du bolus de sang marqué Mise au point du protocole expérimental de l’imagerie 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 Stimulus Analyse des données
Valider la caractérisation de la durée de bolus Augmentation du SNR : passage de 1,5T à 3T clinique Stimulus Meilleur contrôle de l’administration des gaz : automatisation Analyse des données Prise en compte de l’atrophie cérébrale : correction des effets de volume partiel Intégration de la dynamique de la PetCO2 dans l’analyse

46 Merci de votre attention