Pr Catherine Oppenheim Diffusion : Technique 1. Connaître les principes 2. Comprendre l’intérêt de la quantification 3. Reconnaître certains artéfacts QCM   Concernant l’imagerie de diffusion, quelle est la proposition fausse ? Les images de diffusion sont pondérées en T2 Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar Est une imagerie des mouvements aléatoires des molécules d’eau Les artefacts de susceptibilité sont plus importants dans le sens du codage de phase A une excellente résolution spatiale Concernant l’ADC, quelle est (sont) la (les) proposition (s) vraie (s) Signifie Coefficient de Diffusion Apparent Diminue quand les mouvements des molécules d’eau sont restreints Est plus élevé dans le liquide cérébro-spinal Est normal en l’absence d’anomalie de signal en T2 et en diffusion (b=1000 s/mm2) Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes. Pr Catherine Oppenheim Département d’Imagerie Morphologique et Fonctionnelle, Pr Meder, CH Sainte-Anne, PARIS

QCM 2011   2. Concernant l’ADC, quelle est (sont) la (les) proposition (s) vraie (s)  Signifie Coefficient de Diffusion Apparent Diminue quand les mouvements des molécules d’eau sont restreints Est plus élevé dans le liquide cérébro-spinal Est normal en l’absence d’anomalie de signal en T2 et en diffusion (b=1000 s/mm2) Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes. 1. Concernant l’imagerie de diffusion, quelle est la proposition fausse ? Les images de diffusion sont pondérées en T2 Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar Est une imagerie des mouvements aléatoires des molécules d’eau Les artefacts de susceptibilité sont plus importants dans le sens du codage de phase A une excellente résolution spatiale

Séquence IRM Principes L’echo planar inventé par mansfield en 1977 est de la famille des echo de gradient rapide avce une acquisition apres une seule impulsion d’excitation. L’Acquisition se fait sur toute la periode d’evolution du gradient de lecture mais celui-ci oscille rapidement d’une amplitude positive à négative décrivant chaque ligne du plan de Fourier dans un sens puis dans le sens inverse. Le gradient de codage de phase est lui constitué de petit blips qui permettent de passer d’une ligne à la suivante. Il existe des artefacts propres à l’EPI et d’autres communs à toutes les séquences. Ceci est obtenu en inversant rapidement les gradients de lectures (gradient de codage en frequence). Elle peuvent utilser uniqueùent de l’echo de gradient ou combiner un spin écho avce un train d. Elle peuvent utilser uniqueùent de l’echo de gradient ou combiner un spin écho avce un train d’echo de gradient Acquisitio d’une image apres une seul impulsion d’excitation (Mansfield 1977) T1 T2 T2 « rapide » Diffusion Pixel < 1 mm2 Pixel : 6 mm2 3

 Signal du Liquide Cérébrospinal Séquence IRM Principes T2 Diffusion Prerequis :  Signal du Liquide Cérébrospinal 4

Qu’est ce que la diffusion ? Principes Qu’est ce que la diffusion ? Mouvements des molécules d’eau La diffusion correspond au mouvement constant des molecule d’eau qui constitient environ 70% de notre organisame. Ces molecules d’eau sont animée d’un mouvement aleatoire , brownein motion du nom du physicien qui l’ainventé, du fait de l’agittaion termique. La vitesse de diffusion donne une mesure des propriéte du mileu. Grace a l’IRM, il est possible de fabriquer cette encre magique pour caracteriser un mileiu ou une lesion. Quand un patiente ntre dans l’IRM, les prtons, qui sont de petits aimants sont tous aligne avce le chamop magnetique statique de l’IRM. Ensuite, on rajoute un cjamp magnetique ce qui revient a marquer les prtons avce l’encre magique. En aplianat ensuite un second implusion magnetique on peut coniatre l’amplitude de deplacement , ou diffusion, des protons pednat ce temps. C’est un peu comme si l’on faisanit deux photo, l’une au moement ou l’encre tombe dans l’eau et une plus tard pour savoir comment l’encre a diffusé. Brownian motion is a sophisticated random number generator, based on a process in plants discovered by Robert Brown in 1827(Figure 1). He found that small particles suspended in a fluid were in continuous movement and thus, described it as Brownian motion. His discovery did not receive much attention for a long time, until before the turn of the 20th century when Guoy's conviction and research (that Brownian motion constituted a clear demonstration of the existence of molecules in continuous motion) brought it to the attention of the Physics world. However, all nineteenth-century research remained at the qualitative level

Qu’est ce que la diffusion ? Principes Qu’est ce que la diffusion ? Mouvements des molécules d’eau r 2 = 2Dt équation d ’Einstein avec D = 10-3 mm2/s, t  100 msec Effets de la diffusion sur le signal IRM [1] La diffusion correspond au mouvement constant des molecule d’eau qui constitient environ 70% de notre organisame. Ces molecules d’eau sont animée d’un mouvement aleatoire , brownein motion du nom du physicien qui l’ainventé, du fait de l’agittaion termique. La vitesse de diffusion donne une mesure des propriéte du mileu. Grace a l’IRM, il est possible de fabriquer cette encre magique pour caracteriser un mileiu ou une lesion. Quand un patiente ntre dans l’IRM, les prtons, qui sont de petits aimants sont tous aligne avce le chamop magnetique statique de l’IRM. Ensuite, on rajoute un cjamp magnetique ce qui revient a marquer les prtons avce l’encre magique. En aplianat ensuite un second implusion magnetique on peut coniatre l’amplitude de deplacement , ou diffusion, des protons pednat ce temps. C’est un peu comme si l’on faisanit deux photo, l’une au moement ou l’encre tombe dans l’eau et une plus tard pour savoir comment l’encre a diffusé. Brownian motion is a sophisticated random number generator, based on a process in plants discovered by Robert Brown in 1827(Figure 1). He found that small particles suspended in a fluid were in continuous movement and thus, described it as Brownian motion. His discovery did not receive much attention for a long time, until before the turn of the 20th century when Guoy's conviction and research (that Brownian motion constituted a clear demonstration of the existence of molecules in continuous motion) brought it to the attention of the Physics world. However, all nineteenth-century research remained at the qualitative level r  quelques microns [1] Hanh. Phys res, 1950

Séquence de diffusion    90° 180° Echo TE/2 TE/2 G G    b= 2G22( - /3)

   Atténuation du signal (SA) Si proton immobile : déphasage = rephasage => signal inchangé Si proton mobile : déphasage Atténuation du signal (SA) Mouvements aléatoires Rephasage imparfait

Séquence de Diffusion Principes T2 Prerequis : Diffusion

Séquence de Diffusion Principes Prerequis : T2 Diffusion

 diffusion élevée : hyposignal Comment faire ? b=0 s/mm2 b=200 b=400 b=600 b=1000 b =1000 s/mm2  diffusion élevée : hyposignal  diffusion restreinte : hypersignal relatif b = 2G22( - /3)

SA = e-b.ADC Principes Pente de la droite = Coefficient de Diffusion Coeff. de Diffusion 380.10-6 mm2/s 740.10-6 mm2/s Liquide lésion Ln (Signal) Tissu sain r2 = 2Dt où D = …… mm2/s, T2 Diffusion 10/26

Mais Atténuation ne varie pas linéairement en fonction de b b faibles : diffusion rapide (perfusion capillaire ou microcirculation) = flow sensitive ADC b élevées : flow insensitive ADC (diffusion de l’eau) Le Bihan et al. Separation of Diffusion and Perfusion in IntraVoxel Incoherent Motion MR Imaging. Radiology 1988

Gradients sup-inf Droite-gauche Post-antérieur Diffusion isotrope

Diffusion isotrope et anisotrope Principes Isotrope : mouvements identiques dans toutes les directions de l’espace Anisotrope (Substance blanche) : Taille et densité des fibres Orientation cohérente des axones voxel isotrope e2 Of course the diifusion is a 3D phenomeon. Diffusion is considered to be isotropic when water molecules move in all directions, like in CSF. In WM, the difusion of free water is not the same in all directions and this is called ansiotropy. Diffusion anisotropy is due the fact that watre molecules move prefernetially and at least twice fatester along the long axis of the axones athan prependicular to them because myelin shits surounding nerve fibres acts as the main barrier to water diffusion. The degree odf anisotropy depends on axonal orgnaisation, the density of fiber and the degree cell packing and is thus a mesure of tissue microstructure. Acording o the property if DWI, each voxel can be represented by a sphere when perfectly isotropic or by an ellipsoid when anisotropic. The long axis of the ellipsoid will indicate the main diffusion direction and if you assumed that the long axis of the ellipsoid is alligned with the main direction of the fiber bundle. e1 e3 voxel anisotrope

Le tenseur de diffusion Principes Voxel isotrope SDiff=S0e-bD e1 e2 e3 Voxel anisotrope SDiff=S0e-bD x y z Dxx Dxy Dxz Dyz Dyy Dzz In a isotropic voxel, diffusion follows a simple equation where SDWI is the signal obtained with diffusion sensitizing gradients, S0 the baseline signla without diffusion gradient. D, which is the diffusion coefficient, is easily obrained and the diffusion fully caracteriszed. When the meadi is anisotropic, the diffusion coefficeinet D is remaoce by a mathematical objcet, a tensor. This is a 3 by 3 matrix which contains 6 independant elements. Tharefore, by sampling signla attenuation after aplying Dif-gradient in at least 6 directions, these 6 diffusion coefficeinet can be detremined. We then rotate the lab cordinate system in which the diffusion coefficeint were measured and allign it to the principal direction of the ellipsoid. After diagnoalisation, we get three vectors and their respective amplitude called eigenvalues. The largest eigen value corresponds to the principla direction of the ellipsoid and it will be assumed that the this direction is alligned with the main direction of the fiber bundle in each voxel. We can get an idea of the amplitude of water molecules mbycomputing the diffusivity. Dans un milieu anisotrope, il faut mesurer le signal dans au moins 6 directions, Effcetuer un changement de repere pour obstenir les vecteur propre en chaque voxel et leur Amplitude. On a alors acces a la diffusivité moyenne et aux paramtres d’anissotropie Diffusion anisotropy can be caracterized by a 3x3 matrix. This second rank tensor describes the properties of an elliposid in 3D. In DTI, the diffusion properties of water are meaured in the MRI frame, using the spatial encoding x, y, z and the matrix has 9 nonzero elements of wheach three are the same (smmetric tensor). The remaining 6 elements, in yellow, are calculated from six images by applying diffusion gradients in at least 6 non collinear directions. This matrix can be diagonalized, leaving only nonzero element in the main diagonal, namely the eigenvalues which reflect the sahpe of the ellipsoid in each voxel. . Their sum, also called the trace or mean diffusivity, refelcts the size of the ellipsoid. From this we can generate quantitatuve measurements. D = Dxx Dxy Dxz Dyx Dyy Dyz Dzx Dzy Dzz e1 e3 e2 1 0 0 0 2 0 0 0 3 référentiel [x, y, z] Diffusivité moyenne = (1 + 2 + 3)/3 = ADC vrai

Cartes d’anisotropie FA = Anisotropie fractionnelle Principes Index of anisotrpy, such as the fractional anisotropy, can be comptuted and displayed by 2D maps. On this maps, voxels with high anisotropy that is containing cohrenetly orientated axones, like the CC are displayed in red while those with low anisotropy are displayed in blue. On this maps, the direction of diffusion is not provided. The color coded maps are more complete : it show the main directioon of Diffusion in each voxel , that is right left for the CC and the brightness of each color indicates the degree of anisoyropy. represented by maps We can get Sous la fomre de carte d’anisotropie sur lesquelles les structure fortement anisotrope comme CC sont codee en rouge et les structure faiblement anisotropes sont codée en bleu. In the RGB map, If the principal eignevector is aligned to the x axis, pure red is assigned to the voxel. If the eignevector is 45° between x and y axes, then yellow (red + green) is assigned to the voxel. The intesity of color in each voxel indicates the degree of FA. Anisotropie fractionnelle 0 = Isotropie 1 = Anisotropie

Tractographie 3D Principes [1] [1] The nice 3D representation you might have seen in the front page of mediacal journals are quite siple to obtain. If you suppose that the main direction of the ellipsoid indaicetd the main axis of the fiber bundle, then each voxel is replaced by a single vector. From this vector field, tractography can be obtained by speing from one voxel to the next provioede that their direction is indicate similar direction, one can obain smoothed trajectories. [1] Melhem, AJR 2002

Quelle séquence ? Minimum : b0 + 6 … 55 … 512 directions Principes Quelle séquence ? 6 directions 55 directions Minimum : b0 + 6 … 55 … 512 directions Valeur de b : 0 … 1000 … 10000 s/mm2 Durée : 40’’ à 1 heure 40 secondes b = 800 b = 2000 Le sparemtres suecptibels avec lesquels on peut joure sont : le nombre de direction avce une qualité d’aperciation du tensuier qui augmente avce le Nbe de dierction; La valeur de b : plus on augmente b plus la p,dération end iffusion augmente, amis avec le temps d’acsuiisition et la décrissance du signal en T2 qui de traduit par une chute du rapport S/B Bref, il n’y a pas un mais une infinité d’acquiistion possible et pur la tractographie mieux vaut utilser des coupes les plus fiones possibles pour optimiser la résolution dans l’axe des Z. Mais la tractographie grosseire est faibale en 40’’

Comment Pourquoi Quand … calcule t’on l’ADC ? 20/44

Séquence de DIFFUSION Signal dépend des mouvements des molécules d’eau Principes Séquence de DIFFUSION Signal dépend des mouvements des molécules d’eau HYPO SIGNAL ADC élevé HYPER SIGNAL ADC bas 21/44

Hypersignal Diffusion ADC diminué T2 ADC T2-shine through T2 (b=0 s/mm2) ADC 22/44

Si hypersignal T2/FLAIR et Diffusion … + + Le calcul d’ADC est indispensable !

Hyposignal Diffusion ADC augmenté T2 ADC T2- black-out T2 24/44 ADC

Diffusion Normale ADC normal T2 wash-out T2/FLAIR Diffusion ADC T2 ADC 25/44

Comment le calculer ? Analyse visuelle des cartes d’ADC Ratio d’ADC +++ Pas de différences Dt/Gh entre régions « miroir » Pas différence Homme/femme Variation selon l’âge Valeurs absolues (mm2/s) Si pas d’ADC : Interprétation diffusion + T2 +++ 26/44

La diffusion (ADC) diminue si … Les cellules gonflent Œdème intracellulaire (ischémie) Hypercellularité Certaines tumeurs La viscosité augmente Abcès 27/44

La diffusion (ADC) diminue si … Les cellules gonflent Œdème intracellulaire (ischémie) Hypercellularité Certaines tumeurs La viscosité augmente Abcès 28/44

La diffusion (ADC) diminue si … Les cellules gonflent Œdème intracellulaire (ischémie) Hypercellularité Certaines tumeurs La viscosité augmente Abcès 29/44

La diffusion (ADC) diminue si … Les cellules gonflent Œdème intracellulaire (ischémie) Hypercellularité Certaines tumeurs La viscosité augmente Abcès Œdème post critique 30/44

La diffusion (ADC) augmente si … Eau extracellulaire  Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale 31/44

La diffusion (ADC) augmente si … Eau extracellulaire  Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale 32/44

La diffusion (ADC) augmente si … Eau extracellulaire  Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale 33/44

La diffusion (ADC) augmente si … Eau extracellulaire  Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale * * 34/44

La diffusion (ADC) augmente si … Eau extracellulaire  Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale 35/44

Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? 1 Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? Sa baisse signe une ischémie artérielle Est diminué dans une séquelle ischémique Son calcul nécessite au moins 3 acquisitions à différentes valeurs de b. Normal si le T2 et la diffusion sont normaux Fiable même pour les petites lésions

Diffusion et Ischémie ? Aigu 24-48h > 1-2 semaines Chronique temps

Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? 1 Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? Est diminué dans une séquelle ischémique

Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? 1 Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? Sa baisse signe une ischémie artérielle Est diminué dans une séquelle ischémique Son calcul nécessite au moins 3 acquisitions à différentes valeurs de b. Normal si le T2 et la diffusion sont normaux Fiable même pour les petites lésions ischémique Ln Signal b =0 b =1000

Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? 1 Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? Sa baisse signe une ischémie artérielle Est diminué dans une séquelle ischémique Son calcul nécessite au moins 3 acquisitions à différentes valeurs de b. Normal si le T2 et la diffusion sont normaux Fiable même pour les petites lésions ischémique Log signal b=0 b=1000 ADC 

1 5. ADC Fiable même pour les petites lésions ischémique FAUX Log signal ADC  b=0 b=1000

Pourquoi la substance grise est elle en hypersignal sur les images de diffusion ? 2

Substance Grise et Blanche 2 SignalDIF Substance grise > Blanche ADC SG  SB (0.76  0.13 10-3 mm2/s) Dû à l’hypersignal T2 de SG > SB

Comment éviter cet artéfact ? 3

3 Impossible car c’est une diffusion Augmenter la matrice Repositionner la tête du patient Arrêt des mouvements du patient Inverser PHASE et FREQUENCE

Imagerie Echo-planaire (EPI) 64 à 128 phases par TR L’echo planar inventé par mansfield en 1977 est de la gfamille des echo de gradient rapide avce une acquisition apres une seule impulsion d’excitation. L’Acquisition se fait sur toute la periode d’evolution du gradient de lecture mais celui-ci oscille rapidement d’une amplitude positive à négative décrivant chaque ligne du plan de Fourier dans un sens puis dans le sens inverse. Le gradient de codage de phase est lui constitué de petit blips qui permettent de passer d’une ligne à la suivante. Il existe des artefacts propres à l’EPI et d’autres communs à toutes les séquences. Ceci est obtenu en inversant rapidement les gradients de lectures (gradient de codage en frequence). Elle peuvent utilser uniqueùent de l’echo de gradient ou combiner un spin écho avce un train d. Elle peuvent utilser uniqueùent de l’echo de gradient ou combiner un spin écho avce un train d’echo de gradient Acquisitio d’une image apres une seul impulsion d’excitation (Mansfield 1977) L’EPI est très sensible à la qualité de l’encodage en phase (qui permet de réaliser le codage de la position des mesures) car l’erreur s’accumule au sein du train d’acquisition qui est long. 46

Susceptibilité magnétique Artéfacts 3 Séquence EPI single shot Erreur codage phase Artefacts plus marqués dans le sens du codage de phase     Tres sensible aux artefacts de susceptibilté magnétique. 47

Susceptibilité magnétique Autres techniques d’acquisition : Si on tient à utiliser l’écho-planar EPI + imagerie parallèle SENSE ou ASSET ( Bdw,  TE) Diffusion sans ASSET TE = 120 ms Diffusion avec ASSET TE = 86 ms Cas 1 Cas 2 Remarque : Tout ce qui réduit le TE, réduit les artéfacts de susceptibilité magnétique car moins de déphasage  antenne multicanaux

Artéfacts 4 Que s’est il passé ? Diffusion ADC T2 : b=0

Direction 1 Direction 2 Direction 3 4 Image moyennée

QCM 2011   2. Concernant l’ADC, quelle est (sont) la (les) proposition (s) vraie (s)  Signifie Coefficient de Diffusion Apparent Diminue quand les mouvements des molécules d’eau sont restreints Est plus élevé dans le liquide cérébro-spinal Est normal en l’absence d’anomalie de signal en T2 et en diffusion (b=1000 s/mm2) Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes. 1. Concernant l’imagerie de diffusion, quelle est la proposition fausse ? Les images de diffusion sont pondérées en T2 Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar Est une imagerie des mouvements aléatoires des molécules d’eau Les artefacts de susceptibilité sont plus importants dans le sens du codage de phase A une excellente résolution spatiale

QCM 2011   2. Concernant l’ADC, quelle est (sont) la (les) proposition (s) vraie (s)  Signifie Coefficient de Diffusion Apparent Diminue quand les mouvements des molécules d’eau sont restreints Est plus élevé dans le liquide cérébro-spinal Est normal en l’absence d’anomalie de signal en T2 et en diffusion (b=1000 s/mm2) Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes. 1. Concernant l’imagerie de diffusion, quelle est la proposition fausse ? Les images de diffusion sont pondérées en T2 Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar Est une imagerie des mouvements aléatoires des molécules d’eau Les artefacts de susceptibilité sont plus importants dans le sens du codage de phase A une excellente résolution spatiale

Conclusion Fin du XX ème siècle Début du XXI ème siècle

Pour en savoir plus Tout organe. Cahier FMC, J Radiol. vol spécial diffusion. 2010. Cerveau. EMC-Radiologie 2 (2005) 133–164 Cerveau. J Radiol. 2007 Mar;88:428-43 Tenseur. J Radiol 2007;88:510-20 Piège et artéfact. J Radiol. 2006 ;87:1837-47