Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES

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1 Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES
Patrick COZZONE 2007 Centre d ’Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM) UMR CNRS Aix Marseille Université Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone , Marseille

2 Transfert d ’aimantation Exploration du cerveau
IRM "Tissulaire" Diffusion Transfert d ’aimantation  Anatomie  T1w et T2w IRM Exploration du cerveau par Résonance Magnétique Angiographie RM  Fonction  IRMf Hémodynamique Perfusion Bolus tracking Spin labelling Métabolisme Spectrométrie In vivo

3 fMRI Angio-MR Diffusion MRI Metabolic Imaging Perfusion MRI MRS
MRI-Flash T2* MRS LAC / NAA

4 Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale
NAA tCr tCho CEMEREM-CRMBM-Marseille

5 IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE

6 IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE
Félix Bloch Edward Purcell Prix Nobel de Physique 1952

7 L ’IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE
Paul Lauterbur Peter Mansfield Prix Nobel de Médecine ou Physiologie 2003

8 LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE
Richard Ernst Kurt Wuthrich Prix Nobel de Chimie Prix Nobel de Chimie 2002

9 SRM CEREBRALE IRM et SRM utilisent le même appareil.
Pour le patient, les conditions sont identiques à celles d ’une IRM cérébrale. Siemens Vision Plus 1,5 T

10 PRINCIPE DE LA SRM

11 IMAGERIE et SPECTROMETRIE

12 IMAGERIE et SPECTROMETRIE
IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules IMAGE (caractérisation anatomique)

13 IMAGERIE et SPECTROMETRIE
IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules SRM : recueil du signal des autres molécules présentes dans les cellules (métabolites) IMAGE (caractérisation anatomique) SPECTRE (caractérisation métabolique)

14 In vivo MRS, MRI  TF   100 M   IRM NMR signal

15 In vivo MRS, MRI water  TF   metabolites 100 M   MRI NMR signal

16 In vivo MRS, MRI           100 M water TF metabolites MRI
NMR signal  1-10 mM  TF    MRS NMR signal

17 IRM B0 et Gradients TF Impulsion RF H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O

18 SRM B0 H2O H2O H2O I TF H2O H2O H2O H2O H2O H2O H2O Impulsion RF

19 H2O H H eau CH3 CH2 H H H OH H éthanol ppm Déplacement chimique

20 Deux règles de base Le déplacement chimique (fréquence de résonance) des protons d ’une molécule donnée est constant . Il caractérise la molécule. L ’intensité du signal varie en fonction de la concentration. H I I

21 Information métabolique Information anatomique
TE = 135 ms IRM SRM NAA Cr/PCr CHO Concentration IMAGE SPECTRE Information métabolique Information anatomique

22 Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long
NAA tCr tCho CEMEREM-CRMBM-Marseille

23 NAA tCr tCho Ins Glx Lipides
Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo court NAA tCr tCho Ins Glx Lipides CEMEREM-CRMBM, UMR CNRS 6612, Marseille

24 Proton MRS spectrum of the human brain 1.5 T vs 3T
PRESS 35 ms

25 Métabolites cérébraux observés par SRM
N-Acétyl Aspartate GABA Glutamate/ Glutamine Glucose myo-Inositol scyllo-Inositol Taurine Composés de la Choline Créatine/ PhosphoCréatine Lactate Succinate, Leucine, Alanine, Acétate Lipides

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30 Spectre calculé Spectre réel

31 NAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale
TE = 135 ms CHO Cr/PCr NAA Lac NAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale CHO (Choline) : marqueur des membranes (lésions, renouvellement), de la myéline ou d ’une inflammation (bétaïne) Cr/PCr (Créatine-Phosphocréatine) : marqueur de densité cellulaire Lac (Lactate) : témoin d ’un processus ischémique, d ’un dysfonctionnement mitochondrial ou d ’une infiltration macrophagique

32 mI: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale)
Cho Cr NAA TE = 35 ms mI: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale) mI Glx: glutamine-glutamate, (« neurotransmetteurs » ) métabolisme NH3, excitotoxicité. Glx Lip: lipides, nécrose ou contamination (scalp) intégrité membranaire, dyslipidémies ... Lip

33 ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL
Neurones Cellules Gliales Astrocyte Oligodendrocyte Myéline Microglie et macrophages METABOLISME NEURO-GLIAL

34 N-Acétyl Aspartate NAA Concentration élevée
Neuron Plasmic Membrane N-Acétyl Aspartate NAA Concentration élevée Rôle dans la synthèse protéique Rôle dans la synthèse lipidique? Stockage de l’Aspartate? Métabolite du NAAG ? Osmorégulation ? Glial Plasmic Membrane

35 GLUTAMATE et GLUTAMINE
CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE ASTROCYTE NEURON GABA GABA GABA transaminase Glutamic acid decarboxylase (GAD) glutamate glutamate Glutamine synthetase NH3 glutaminase glutamine glutamine

36 Exploration du métabolisme cérébral
par SRM 1H in vivo AA EXCITATEUR EXCITOTOXICITE CELLULARITE BIOENERGÉTIQUE MARQUEUR GLIAL glutamate (neurones) METABOLISME NH 3 glutamine ( glie ) CYCLE GLUTAMINE -GLUTAMATE METABOLISME MEMBRANAIRE MYELINISATION / DEMYELINISATION créatine INFLAMMATION phosphocréatine PROCESSUS TUMORAL N - acétyl aspartate MARQUEUR NEURONAL choline et dérivés OSMOLYTES taurine scyllo - inositol MALADIES METABOLIQUES -protéines OSMOLYTE myo - Inositol -acides aminés METABOLISME MEMBRANAIRE MARQUEUR GLIAL glycine -lipides mobiles MYELINISATION / DEMYELINISATION -si acide lactique INFLAMMATION AA EXCITATEUR ANOXIE 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 ppm

37 Spectrométrie de Résonance Magnétique
Cérébrale Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral

38 Spectrométrie de Résonance Magnétique
Cérébrale Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM

39 Spectrométrie de Résonance Magnétique
Cérébrale Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM Dosage de molécules issues du métabolisme de divers types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….)

40 Spectrométrie de Résonance Magnétique
Cérébrale Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM Dosage de molécules issues du métabolisme de divers types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….) - Analyse objective et quantifiée de la souffrance cérébrale

41 LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
MONOVOXEL

42 LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
MULTIVOXEL (CSI 2D) Imagerie métabolique MONOVOXEL

43 SRM monovoxel: Méthode de localisation
La sélection du volume sensible (VOXEL) est le résultat de 3 excitations sélectives successives dans trois plans orthogonaux

44 SRM monovoxel: Méthode de localisation
DEUX METHODES : - STEAM / VEST / VOSY (stimulated echo acquisition mode) - PRESS ( point resolved spectroscopy) - CHESS (élimination du signal de l’eau) Sensibilité: PRESS > STEAM Résolution Spatiale: STEAM > PRESS

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46 STEAM PRESS

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53 Coupe sagittale Coupe coronale Coupe transverse SPECTRE

54 Diagnostic positif de tumeur
Spectrométrie monovoxel Diagnostic positif de tumeur CHOLINE NAA Controlatéral normal Avantages rapide (1 mn) traitement simple Inconvénient un seul voxel

55 Techniques de localisation monovoxel
SRM du pôle temporal droit SRM du pôle temporal gauche CEMEREM-Marseille

56 LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
MULTIVOXEL (CSI 2D) Imagerie métabolique MONOVOXEL

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58 Number of acquisitions: Nx Ny
 FID 1 pulse Acquisition  FID 1 pulse Gx 2D Phase encoding Gy Gz Number of acquisitions: Nx Ny

59 Number of acquisitions: Nx Ny Nz
 FID 1 pulse Acquisition  FID 1 pulse Gx 3D Phase encoding Gy Gz Number of acquisitions: Nx Ny Nz

60 /2  SPIN ECHO TE/2 TE/2 Gx 2D Phase encoding Gy Slice selection Gz Number of acquisitions: Nx Ny

61 Imagerie métabolique avec tranches de saturation
OVS = outer volume saturation

62 SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE Méthode de localisation
L’acquisition simultanée d’une matrice spatiale 1D, 2D ou 3D de spectres est réalisée après excitation et codage de phase. carte de spectres

63 SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE

64 SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE
CARTE DES SPECTRES

65 IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRES

66 CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 CARTOGRAPHIE NAA Résolution 11 x 11 mm

67 Positionnement des coupes en imagerie métabolique
Plan Bihippocampique CA-CP + 8mm

68 Hippocampe Postérieur
CEMEREM-Marseille Sujet contrôle Hippocampe Postérieur Temporal Néocortex Hippocampe Antérieur Gche

69 SAGITTAL CSI 2D 135 ms Posterior Fossa Mesancephalon Vermis Pons
CEMEREM-CRMBM, Marseille D. Galanaud et al. MAGMA 13 (2001) Mesancephalon Vermis Pons Cerebellar WM Medulla oblongata

70 Exploration IRM/SRM centrée sur le CC
Taille CC MD MTR Imagerie métabolique protonique sagittale médiane 3) Partie Postérieure 4) Splénium 2) Partie Antérieure NAA Cr Cho 1) Genou NAA : N-acétyl-aspartate Cr:Créatine,Phosphocréatine Cho: Choline (Ranjeva et al., Multiple Sclerosis 2003)

71 Diagnostic positif de tumeur
Cho Lesion TE = 135 ms NAA 4 3 2 1 ppm Controlateral TE = 135 ms 4 3 2 1 ppm

72 Guidage du geste biopsique
Gliomes : Diagnostic d’extension 2 2 3 1 3 4 1 4 Guidage du geste biopsique

73 IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton) 4 3 2 1
NAA Cr CHO Lactate 4 3 2 1 image (1) image (3) CARTE DES SPECTRES image (2) image (4)

74 IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1,5 T - SRM proton) (4)
CARTE DES SPECTRES image du lactate à 4

75 IMAGERIE METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION
CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 NAA IMAGERIE METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION TE = 135 ms CHO Cr NAA CHO Cr NAA CHO Cr

76 Diagnostic différentiel
CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal of Neurosurgery (2003) 98:

77 Diagnostic différentiel
CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal of Neurosurgery (2003) 98:

78 Imagerie métabolique des tumeurs
Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Cho/Cr

79 Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade
mI Cr SVS TE=20 ms Cr Cho Cho NAA NAA Cho Cho SVS TE=20 ms mI Cr Cr NAA NAA

80 Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade
Analyse en Composantes Principales des Métabolites SV TE=20 ms Cr/S GC Ins/S NAA/S F2 NV LGG Cho/S F1

81 SRM CÉRÉBRALE EN 2007 VOXEL UNIQUE 1995 :
2 x 2 x 2 = 8 ml AT = 30 min. STEAM 20 ms 2007 : 1,5 x 1,5 x 1,5 = 3,4 ml AT = 54 sec PRESS 40 ms

82 SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 2D Standard : matrice 21 x 21 voxels AT = 10 min. voxel cylindrique : 5,7 ml (d = 2,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm Haute résolution : matrice 33 x 33 voxels AT = 28 min. voxel cylindrique : 1,5 ml (d = 1,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm

83 SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 3D (PEPSI)
matrice 21 x 21 x 64 voxels AT = 10 min. voxel cylindrique : 2,3 ml (d = 2,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm x 470 mm sélection de tranche sur 80 mm

84 Spectrométrie monovoxel -> 1 seul volume d’intérêt
< 5 minutes Robuste Fiable Information spatiale limitée Imagerie métabolique -> plusieurs volumes d’intérêt 10 minutes + (12 min pour 21x21 voxels de 5ml) Information spatiale plus importante

85 IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (1995)
Capacité technique IRM SRM Recherche SRM Clinique Facilité d'utilisation

86 IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (2007)
Capacité technique IRM SRM Recherche SRM Clinique Facilité d'utilisation

87 Impact diagnostique et thérapeutique
IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (1995) Impact diagnostique et thérapeutique IRM SRM Clinique SRM Recherche Bénéfice pour le patient

88 Impact diagnostique et thérapeutique
IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (2007) Impact diagnostique et thérapeutique IRM SRM Clinique SRM Recherche Bénéfice pour le patient