Imagerie de diffusion Bases physiques et acquisition Stéphane Lehéricy Cours IHU – WP6 Paris, mai 2013 ICM / Centre de NeuroImagerie de Recherche – CENIR Université Pierre et Marie Curie – Paris 6 Hôpital Pitié-Salpêtrière

Aujourd’hui S Lehericy Bases physiques, acquisition/prétraitements L Marrakchi-Kacem Modèles de diffusion et mesures dérivées 21 mai (salle 1/2) Michel Thiebaut de Schotten Tractographie : notions de base, méthodes logiciels Pièges astuces et analyses de groupes Plan des cours de diffusion

Plan Principes de base L’origine de l’anisotropie Les artefacts en diffusion Votre séquence : quels paramètres ?

Diffusion Diffusion = mouvements aléatoires (browniens) des molécules qui résultent de l’énergie thermique portée par ces molécules. Obéit à une loi statistique établie par Einstein en 1905 Sur une dimension = 2DT d = variance du déplacement moléculaire D= coefficient de diffusion T d = temps de diffusion Déplacement moléculaire Temps 1/2 T d 1/2 A la température du cerveau ADC libre = 3 x m² / s

Diffusion et IRM Déplacement moléculaire Temps 1/2 T d 1/2 Dans l’eau libre  En 50 à 100 ms, les molécules d’eau ont bougé dans une sphère de 1-15 µm 15 µm 100 ms Le temps d’acquisition d’une image echo planar ~ ms Taille du voxel en diffusion ~2 mm (2000µm)  diffusion = mouvement intravoxel En IRM : mesure de la diffusion de l’eau (H 2 O) libre Décrite par Denis Le Bihan en 1986

Dans les tissus biologiques, la diffusion est restreinte on parle de coefficient de diffusion apparent (ADC = Apparent Diffusion Coefficient) La diffusion est restreinte espace clos obstacles au déplacement extra-cellulaire membranes Le Bihan et al. Nature Reviews Neuroscience 2003 Diffusion et IRM

01000 Log signal b b=1000 s/mm 2 (DWI) b=0 s/mm 2 (T2) Application d’un gradient de champ magnétique (gradient de diffusion) Protons immobiles : le signal IRM n’est pas modifié par le gradient Protons qui diffusent : il existe une baisse du signal Diffusion et IRM: Comment procède-t-on ?

GG    G = amplitude du gradient de diffusion  = durée d’application du gradient  = délai entre les deux gradients de diffusion  = rapport gyromagnétique (42,6 MHz / T) Equation de Stejskal-Tanner b=  2 G 2  2 (  -  /3) b s’exprime en s/mm² souvent 1000 => La séquence de diffusion t = 0t = TE/2t = TE 180° 90° Echo Spin écho

Si spin immobile :déphasage = rephasage Pas d’atténuation du signal avec le gradient de diffusion t = TE/2 180° t = 0 90° t = TE Echo Cas d’un spin immobile (pas de diffusion)

t = TE/2 180° t = 0 90° t = TE Echo Cas d’un spin mobile (= diffusion) Si spin diffuse :mauvais rephasage Atténuation du signal (SA)

Imagerie pondérée en diffusion DWI (Diffusion weighted imaging) : imagerie pondérée en diffusion Acquisition de 3 images avec des gradients de diffusion en X, Y et Z

Image pondérée en diffusion Gradients de diffusion dans les 3 directions de l’espace X, Y et Z Moyenne des images de diffusion => image pondérée en diffusion Donne des informations sur l’importance de la diffusion Noir : diffusion forte, blanc : diffusion faible ZXY Moyenne = Image pondérée en diffusion

La cartographie ADC (coefficient de diffusion apparent) Ln Signal b SB contro AVC Atténuation du signal (SA) SA = exp [-b.ADC] SA = exp [-  2 G 2  2 (  -  /3)ADC] s/mm 2 Atténuation du signal (SA) SA = exp [-b.ADC] SA = exp [-  2 G 2  2 (  -  /3)ADC] ADC en mm²/s

Les images de la séquence de diffusion b=1000 s/mm 2 b=0 s/mm 2 (T2) ADC SA = e -b.ADC

La baisse de signal dépend de l’orientation du gradient de diffusion ZXY Anisotropie de la diffusion

Diffusion orientée dans la substance blanche : anisotropie courtesy Alberto Bizzi

Diffusion et anisotropie Variations de signal selon la direction du gradient de diffusion Diffusion ISOTROPEDiffusion ANISOTROPE (dépendante de la direction) ZXY

L’étude de l’anisotropie : le tenseur de diffusion

≥ 6 directions x z y Mesurer l’orientation : le tenseur de diffusion Dxx DxyDxz DyyDyz Dzz Dyx DzxDzy Tenseur = objet mathématique qui s’exprime dans un espace vectoriel

Diagonalisation du tenseur de diffusion x z y e1e1 e2e2 1 2 e3e3 3 x’ y’ z’ D x’x’ D y’y’ D z’z’ D = SA  e(- bx’x’.Dx’x’ –by’y’.Dy’y’ –bz’z’.Dz’z’)

Mesurer l’orientation : le tenseur de diffusion e1e1 e2e2 1 2 e3e3 3 = valeur propre (eigenvalue) 1 = diffusivité longitudinale, axiale, parallèle 2/3 = diffusivité transversale, radiale, perpendiculaire e = vecteur propre (eigenvector)

Trace(D) = Dxx + Dyy + Dzz Diffusivité moyenne = (Dxx + Dyy + Dzz) / 3 FA Les variables de diffusion

L’origine de l’anisotropie

A quoi est due l’anisotropie ? La substance blanche est anisotrope (Beaulieu et al. NMR Biomed 2002). - Neurofilaments et microtubules - Membrane axonale - Myéline - Transport axonal - Différence de susceptibilité dans le nerf et la substance blanche

Anisotropie et myéline Beaulieu et al. NMR Biomed 2002 Nerf non myélinisé Nerf myélinisé oligodendrocytes La myéline ne serait pas le composant essentiel de l’anisotropie de la diffusion dans les fibres nerveuses Signal e1e1 e2e2 1 2 e3e3 3

Anisotropie, microtubules et transport axonal rapide Beaulieu et al. NMR Biomed 2002 Le rôle des microtubules et du transport axonal rapide a été évalué sur des nerfs excisés myélinisés ou non d’un poisson (garfish = orphie) traité avec de la vinblastine. La vinblastine dépolymérise les microtubules et inhibe transport axonal rapide. L’anisotropie est préservée => les microtubules et le transport axonal rapide ne sont pas les facteurs les plus déterminants de l’anisotropie. Les nerfs traités à la vinblastine montraient une baisse de l’ADC de 30–50% dans les directions parallèles et perpendiculaires. Les travaux soulignent en revanche le rôle de la membrane cellulaire.

Les artefacts en diffusion

Artefacts liés à l’acquisition EPI Artefacts liés aux gradients de diffusion Artefacts liés aux mouvements Artefacts liés à l’IRM (spike)

Les artefacts liés à l’acquisition EPI Artefacts spécifiques de l’acquisition EPI : le ghosting en “N/2” Mauvais réglage de la séquence EPI Liés à technique d’acquisition des données Plan de Fourier x y phase

Les artefacts liés à l’acquisition EPI Les distorsions liées aux effets de susceptibilité magnétique Dans l’axe de l’encodage de phase => Axial : antéro-post Coronal : supéro-inf Déphasage des protons proches des régions où le champ n’est pas homogène (sinus, rocher) - Temporal - Orbitofrontal - Tronc

Les artefacts liés à l’acquisition EPI Correction des distorsions liées aux effets de susceptibilité magnétique sans iPAT avec iPAT Mais … baisse du rapport signal sur bruit de V facteur d’accélération Utilisation de l’imagerie parallèle Séquences particulières : Propeller, Resolve Meilleurs gradients => Prisma (80 mT/m au lieu de 40 mT/m Trio)

Les artefacts liés à l’acquisition EPI Correction des distorsions avec des cartes de champs Correction à l’aide de cartes de champ Jezzard, Balaban MRM 1995 Carte de champ (Field map) : image de l’intensité du champ magnétique dans l’espace Séquence GE double écho

Les artefacts liés à l’acquisition EPI Correction des distorsions par acquisition de deux images avec des gradients de phase Y inversés Reconstruction d’une image non distordue Morgan et al. JMRI 2004

Les artefacts liés aux gradients de diffusion Les distorsions liées aux courants de Foucault Ne touche que les images pondérées en diffusion pas la b0 Correction - Post-processing (Poupon et al. NI 2000) - Amélioration des gradients de l’IRM (preemphasis) G diff

Les artefacts liés aux mouvements Correction de mouvement des images de diffusion avant le calcul des cartes de FA et ADC Correction à l’acquisition : écho navigateur

Les artefacts liés l’IRM Spikes : étincelles électriques (ampoule cassée dans la salle IRM, faux contacts, électricité statique…) Correction : 1) réparer l’IRM ! 2) éliminer ou recalculer les images artefactées, 3) rescanner

Corriger les images artefactées 1)Éliminer les images artefactées 2)Recalculer les images artefactées Interpolation des données manquantes avec les données voisines Sharman et al. JMRI 2012

Les artefacts : conclusion Regardez vos images natives Détectez les acquisitions artefactées Faites tourner les routines de détection et correction (Restore, Romain®…) Évaluez l’intérêt de la correction ou du rescan

Votre séquence de DTI : quels paramètres ?

Les paramètres de la séquence de tenseur de diffusion Champ de vue : - Couvrir tout le cerveau Taille des voxels : - Préférer les voxels isotropes (cubiques) - Utiliser une taille de voxel inférieure ou égale à 3 x 3 x 3 mm 3 Acquérir plusieurs images b0 : - Au mieux une image b0 toute les 8 images de diffusion (Jones DK et al. MRM 1999) 8 images b image b0 Smith S et al. Nature Protocol 2007

Gating ? Le gating cardiaque Avantage : - Réduit les artefacts liés aux pulsations cardiaques (tronc, cervelet, régions proches du LCS - Réduit la distorsion des images - Améliore le calcul des paramètres de diffusion Inconvénients : - Allongement de la séquence

Quelle valeur de b ? Pour évaluer l’anisotropie et faire de la tractographie b > 1000 s/mm² Le plus souvent, une valeur de 1000 s/mm² est utilisée pour le tenseur de diffusion Quand utiliser une valeur > 1000 s/mm² ? b = s/mm² est utilisé dans l’imagerie HARDI Inconvénient : faible rapport signal / bruit : 3T > 1.5T Importance des gradients de l’IRM +++

Combien de directions ? Augmenter le nombre de directions permet de réduire l’erreur de mesure sur le calcul des variables de diffusion - Direction principale de la diffusion - Diffusivité moyenne - FA Jones DK et al. MRM 2004 Calcul de la FA Nombre de directions Diffusivité moyenne > 30 directions FA > 20 directions FA=0.9 FA=0.8 FA=0.7 FA=0.6 FA=0.5 FA=0.4 Direction principale de la diffusion / diffusivité

Combien de directions ? Mieux vaut 36 directions avec 1 répétition que 12 directions avec 3 répétitions pour un même temps d’acquisition Ne pas moyenner les répétitions sur la console (ne permet pas une correction du mouvement) Quel intérêt à augmenter le nombre de directions (≥ 60) ?  Imagerie HARDI High angular resolution diffusion imaging Permet de visualiser les croisements de fibres au sein d’un voxel

Fin