Spectroscopie du foie par Résonance Magnétique Nucléaire Etat des lieux Technique Résultats Perspectives Journée printemps 2009 SIAD Sophie Cavassila1, Hélène Ratiney1 et Hervé Saint-Jalmes2 1 Creatis-LRMN, Université de Lyon, 2 LTSI, Université Rennes 1 herve.saint-jalmes@univ-rennes1.fr 2009/V3

Parmi les méthodes d’investigation : État des lieux 2 Foie : nombreuses pathologies dont la détection précoces permettrait une meilleure prise en charge des patients. Parmi les méthodes d’investigation : la spectroscopie par RMN localisée (SRM) Quelles informations potentielles peut apporter cette méthode et pour quelles pathologies ? Quelles sont les techniques accessibles et leurs limites ?

Illustration : spectroscopie localisée 1H du cerveau État des lieux 3 Illustration : spectroscopie localisée 1H du cerveau Cerveau : ~ immobile très peu de lipides, dans une antenne très optimisée (16+ canaux) …

Les outils spectroscopiques : Proton (1H) marqueurs métaboliques État des lieux 4 FOIE: Pathologies: Stéatose Cirrhose Tumeurs hépatiques … Les outils spectroscopiques : Proton (1H) marqueurs métaboliques (choline, lipides, …) limite les biopsies. Phosphore (31P) Mesure du métabolisme énergétique. Ceci en complément des méthodes d’imagerie MAIS ...

MAIS : État des lieux La RMN est une méthode peu sensible 5 MAIS : La RMN est une méthode peu sensible La quantification des métabolites est très difficile L’évolution des métabolites en fonction des pathologies reste un objet de recherches… et le foie est un organe en mouvement ! Donc compromis à trouver entre : Complexité technique et robustesse, fiabilité. Signal/bruit, résolution spatiale et durée d’examen.

Résonance Magnétique Nucléaire Rapport gyromagnétique Technique : principe Résonance Magnétique Nucléaire Propriété du noyau : nombre impair de protons et/ou neutrons spin nucléaire Exemple :1H, 3He, 13C, 31P, 19F ont un spin I= ½ m =g h I Constante de Planck Rapport gyromagnétique Courant dipôle magnétique h = 6,62 10-34 J s

Résonance Magnétique Nucléaire Rapport gyromagnétique Technique : principe Résonance Magnétique Nucléaire Fréquence de Larmor B0 M0 F0 Rapport gyromagnétique wl = 2 p F = g B0 (équation de Larmor) Exemple du proton à 1 tesla : F =wl/2p = 42,5 MHz Phosphore à 1 tesla : F =wl/2p = 17 MHz

Technique : principe : spectre proton 1H B1 t f Spectroscopie haute résolution : spectre proton 1H 5 mm 500 µL Tube B1 t [ppm] 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 Aimant RMN 11,7 T = 500 MHz pour 1H f 10 ppm ( 5000 Hz @ 500 MHz)

Technique : principe, spectrométrie RMN Pourquoi tous les protons ne résonnent-ils pas exactement à la même fréquence ? Deux origines : Décalage chimique Couplage scalaire [ppm] 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 f1 f2 …

Technique : principe, spectrométrie RMN Décalage chimique d B0 B0 b0 Le noyau observé (proton par exemple) ne « voit » pas un champ B0, mais un champ plus faible car la rotation du nuage électronique autour du noyau (= un courant) vient créer un champ magnétique b0 qui s’oppose à B0. b0 e Important ce d est très faible : ~qq ppm pour le proton Il est indépendant de B0 Ce décalage dépend de l’environnement électronique = permet d’élucider différentes structures de molécules.

Technique : principe, spectrométrie RMN Décalage chimique : table des décalages Champ faible Champ fort

Technique : principe, spectrométrie RMN Décalage chimique + aire sous le pic + couplage:  ATTRIBUTION. 3 H 3 H 2 H Exemple acétate d’éthyle C4H8O2 : 8H  la courbe intégrale (aire sous les pics) + tables permettent de retrouver les protons et de les attribuer.

(eau-graisse : 3,5 ppm @ 1,5 T , 220 Hz) Technique : principe Imagerie ou spectroscopie ? Transformation de Fourier 2D pixel gradients mm 1 pixel = 1 valeur ~qq 200 Hz = 1pixel :qq 3 ppm (eau-graisse : 3,5 ppm @ 1,5 T , 220 Hz)

Technique : principe, dans l’IRM Spectroscopie : méthodes t B1, a Gy Mxy B1 t Environ 1 seconde Temps nécessaire pour distinguer Des signaux voisins de qques Hz fréquence Quelques ms Qques kHz ou ppm / 64-128 MHz

Technique, spectroscopie localisée Spectroscopie localisée : 3 blocs Suppression de l’eau Eau = H20 = 2x 55 mol/L métabolites ~ 1 à 10 mmol/L ! Suppression des éventuels signaux parasites provenant du volume extérieur. Localisation du signal de RMN dans le volume d’intérêt.

Technique, spectroscopie localisée Spectroscopie localisée : 3 blocs Suppression de l’eau Eau = H20 = 2x 55 mol/L métabolites ~1 à 10 mmol/L ! Eau 10000 1 B1 t G Impulsion sélective (spectrale, eau) et brouillage par des gradients

Technique, spectroscopie localisée Spectroscopie localisée : 3 blocs Suppression des éventuels signaux provenant du volume extérieur B1 t G G Impulsion sélective (spatiale) puis brouillage (gradients).

Technique, spectroscopie localisée Spectroscopie localisée : 3 blocs Localisation du signal de RMN dans le volume d’intérêt Volume d’intérêt VOI 180° 180° 90° B1 t Gx Point-resolved surface coil spectroscopy (PRESS), Chemical shift selective excitation (CHESS), Chemical shift imaging (CSI), … Gy Gz Sélection de 3 plans orthogonaux : intersection =VOI.

Technique, spectroscopie localisée Le signal sur bruit : S/B ~ VOI Tacq 2 cm 1 cm Tacq x 64 ! Malgré l’emploi d’un réseau de capteurs (>6), la spectroscopie du foie in vivo reste peu sensible VOI important !

Technique, spectroscopie localisée Spectroscopie localisée : figer le mouvement du foie spectre sur un volume de 2x2x2 cm3, 2 à 3 minutes, mouvements > 1,5-2 cm : Acquisitions segmentées en apnée Synchronisation respiratoire …

Technique, spectroscopie localisée Traitement du signal et quantification des métabolites Signal et/ou spectre corrigé Traitement (domaine temporel ou fréquentiel) Avec connaissance a priori (fréquences et largeurs des raies) Prise en compte des temps de relaxation Calibration (références) Métabolites quantifiés

Résultats de: Spectroscopie RMN du foie : >20 ans de travaux … In vivo NMR spectroscopy of the liver Authors: P Jehenson, C A Cuenod, A Syrota The application of in vivo MR spectroscopy to the study of the liver is currently an expanding field of research. Owing to technical difficulties, the results obtained thus far were mainly those of animal observations. Several nuclei have been considered: hydrogen, phosphorus, carbon or fluorine. This non-traumatic method allows following and quantifying the various metabolic pathways, especially during hepatic diseases. The major metabolic pathways, i.e. neoglycogenesis, glycogenolysis, Krebs' cycle, etc., are studied, as well as their alterations during diseases such as ischemia, diabetes or alcoholism. The development of this promising technique requires the cooperation of various clinical and fundamental disciplines. Journal de radiologie. 02/1989; 70(4):253-7.

Spectroscopie RMN du foie : >20 ans de travaux Résultats Spectroscopie RMN du foie : >20 ans de travaux à : Boris Guiu1, 2 , Romaric Loffroy1, Jean-Michel Petit3, 6, Serge Aho4, Douraied Ben Salem5, David Masson6, Patrick Hillon7, Jean-Pierre Cercueil1 and Denis Krause1 The purpose of this study was to validate a magnetic resonance imaging (MRI) technique for mapping liver fat, using 1H magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) as the reference standard. In 91 patients with type 2 diabetes, 3.0-T single-voxel point-resolved 1H-MRS was used to calculate the liver fat fraction (LFF) from the water (4.76 ppm) and methylene (1.33 ppm) peaks, corrected for T1 and T2 decays. LFF (corrected for T1 and T2* decays) was also obtained from the mean signal intensity on a map built from a triple-echo (consecutive in-phase, opposed-phase, and in-phase echo times) breath-hold gradient echo sequence, using basic image calculation functions (arithmetic mean, subtraction, division, multiplication by a numerical factor). Mean LFF was 8.9% (range, 0.9–33.5) by MRI and 8.8% (range, 0–34.1) by 1H-MRS. Pearson’s coefficient was 0.976 (P < 0.0001) and Lin’s coefficient was 0.975 (P < 0.0001). Liver segment had no significant influence. With Bland–Altman analysis, 95.6% (87/91) of data points were within the limits of agreement. Given its excellent agreement with 1H-MRS, our mapping technique can be used for visual and quantitative evaluation of liver fat in everyday practice. European Radiology, 27/02/2009

Quantification of the hepatic fatty infiltration and the metabolite concentrations using Magnetic Resonance Spectroscopy and in and out of phase Imaging 10/04/2017 Résultats : proton (1,5 T) 24 Séquence PRESS à TE court, synchronisée sur le cycle respiratoire: TR/TE 1500/30 ms, NA=128, Tacq = 3’12’’, Teff ≈ 6’24’’ – dépend du patient Voxel: 2 x 2 x 2 cm3 – foie droit, région sans vaisseau shims (1er et 2nd ordre) suppression d’eau CHESS The spectra were acquired using a short echo time PRESS trigged on the respiratory cycle. The voxel was of 2 per 2 per 2 centimeters, chosen in a vessel free zone of the right lobe of the liver. A water unsuppressed spectrum was also acquired for each patient. spectre sans suppression d’eau NA=4, Tacq =6’’, Teff ≈ 12’’ Quantification of the Hepatic Fatty Infiltration and the Metabolite Concentrations Using Magnetic Resonance Spectroscopy and In and Out of Phase Imaging S Cavassila1, A Bucur1, H Ratiney1, C Cudalbu1, O Beuf1, F Pilleul1,2 ISMRM 2009

Résultats : proton (1,5 T) Spectres typiques 25 Quantification of the hepatic fatty infiltration and the metabolite concentrations using Magnetic Resonance Spectroscopy and in and out of phase Imaging 10/04/2017 Résultats : proton (1,5 T) 25 Spectres typiques Here you can see/here we have a typical spectrum from a patient With low steatosis rate: 14,8% and another one with With high steatosis rate: 45.5%. Spectres avec suppression d’eau (foie droit de deux patients) a) Sans stéatose (%Stéatose(VOI)=14%), b) Avec stéatose (%Stéatose(VOI)=45%) 1.5T, HEH, Lyon. 25

Résultats : proton Analyse quantitative 26 Intensités estimées rapportées à l’intensité de l’eau pour deux patients avec et sans steatose.

Résultats : proton (3T)

Résultats : phosphore (3T) Séquence synchronisée sur le cycle respiratoire avec bandes de saturation: VOI : 6x6x6 cm3 TR 5000 ms, NA=64 phosphocreatine (PCr) phosphate inorganique (Pi), phosphomonoester (PME), Phosphodiester (PDE), adenosine triphosphate (ATP). PCr ( =0.0 ppm), PME, 7.1 ppm ; Pi, 5.3 ppm ; PDE, 3.6 ppm, -ATP, -2.4 ppm ; -ATP, -7.7 ppm ; -ATP, -16.1 ppm).

Conclusions, perspectives 29 Conclusions, perspectives SRM clinique du foie, les points durs : Suppression de l’eau Suppression des signaux du volume extérieur Uniformisation du champ B0 Impulsions radiofréquence : calibration et excitation uniforme “boîte noire” sur IRM cliniques

Conclusions, perspectives 30 Conclusions, perspectives SRM clinique In Vivo, les paramètres accessibles Signal/bruit par unité de temps, Correction des mouvements, Références interne ou externe pour la quantification Automatisation d’une quantification robuste Monovoxel  imagerie spectroscopique: Reste beaucoup de travail ! +/- accessibles sur IRM cliniques

Technique : principe, spectrométrie RMN Décalage chimique B0 La fréquence f est comparée à une référence fref : b0 e d est le décalage chimique donné en ppm (parties par million) La référence choisie présente un effet d’ écran très faible. Exemple pour le proton : tétraméthylsilane (TMS): (CH3)4Si. Important ce d est très faible : ~qq ppm pour le proton Il est indépendant de B0 Ce décalage dépend de l’environnement électronique = permet d’élucider différentes structures de molécules.

Technique : principe, spectrométrie RMN Couplage scalaire (bromoéthane) Les protons sont couplés les uns aux autres : ils sont sensibles au spin des protons voisins. N+1 pics Les protons ont tous le même décalage chimique mais dépendent des états des protons. Les protons ont tous le même décalage chimique, mais …

Technique : principe, in vivo Noyaux candidats ? 1H ! (spectroscopie) eau/lipide +N-acétyl-aspartate, lactate, … cerveau, maladies dégénératives, tumeur, ... Suppression de l’eau ! 31P (spectroscopie) phosphore inorganique, l'ATP, phosphocréatine métabolisme énergétique, pH 13C (spectroscopie) glycogène métabolisme abondance naturelle 1% 23Na (imagerie) 19F Imagerie/spectroscopie, signal ?

Technique : principe Eau 10000 1 qq ppm Spectroscopie : exemple du proton ? Pixel (voxel) Eau 10000 1 Tout le spectre < 10 ppm : uniformité du champ B0 primordiale ! Signal intéressant : les métabolites : 10-4 ! qq ppm Serrai et al., JMR, 154, 53 (2002)

Technique, spectroscopie localisée Méthode de quantification paramétrique par Moindres carrés non linéaire (Levenberg-Marquardt) Modèle Paramétrique : Voigt fréquence  Intensité forme de raie phase K: nombre de composantes Entrées: Valeurs initiales des fréquences et largeurs de raies Sorties: Intensités ( et formes de raies) estimées minimisant la fonction de coût H Ratiney et al, IEEE ISBI, Paris, France, 2008;

MRS: Post-Processing and Quantification Quantification of the hepatic fatty infiltration and the metabolite concentrations using Magnetic Resonance Spectroscopy and in and out of phase Imaging 10/04/2017 37 MRS: Post-Processing and Quantification 10 composantes estimées: Quantification of a 1H water-suppressed spectrum acquired at 1.5T from the right hepatic lobe of a patient displayed as a sum of Voigt lineshape resonances (dotted line), the original spectrum (blue), individual components (green) and the residue (black bold line). Concerning the post-processing and quantification, First we corrected the Eddy currents and field inhomogeneities effects, then we quantified the spectra with a method based on a non-linear least squares algorithm using a model function which is the sum of 10 Voigt lineshape components designed from the published results of M-G and Cox. B Martinez-Granados et al, NMR Biomed 2006; 19:90-100. IJ Cox et al, World J. Gastroenterol. 2006; 12(30):4773-4783.