Comparaison de deux techniques fonctionnelles d'imagerie non invasives pour l'étude du retour veineux cérébral

chez des volontaires sains

Plan

• Introduction – Rappels imagerie de flux échographie Doppler et IRM, système

veineux et retour veineux cérébral Problématique et objectifs

• Matériels et méthodes : Population, appareils, post-traitement,

statistique

• Résultats : Doppler, IRM, comparatif

• Discussion : – Critique de la méthodologie puis des résultats

• Conclusion : – Réponse à la problématique et aux objectifs

– Perspectives

Introduction

L’imagerie de flux doppler Historique

• Christian Johann Doppler décrit en 1942 l’effet doppler

• Vitesse = C x delta F/2 x Fe x cos théta

• Premières applications dans les années 1950-60 • Satomura S. et al 1957 Ultrasonic Doppler method for the inspection of cardiac function

• Utilisé dans de nombreuses spécialités (cardiologie, obstétrique, chirurgie/médecine vasculaire, anesthésie, réanimation, gynécologie…)

• Elle est souvent la technique de référence non invasive vasculaire

• K Namekawa et al,1982 Imaging of blood flow using autocorrelation

• C. Kasai et al, 1985 Real-time two-dimensional blood flow imaging using an autocorrelation technique

L’imagerie de flux IRM Historique

• Imagerie plus récente, le principe général est d’étudier les protons mobiles

• Moran PR. A flow velocity zeugmatographic interlace for NMR imaging in humans. Magn Reson Imaging 1982; 1: 197-203

• Bryant DJ et al, 1984 Measurement of flow with NMR imaging using a gradient pulse and phase difference technique

• Bradley WG Jr 1985 Blood flow: magnetic resonance imaging

• Les applications sont plus restreintes mais en constant développement

• Elle est devenue une imagerie relativement « démocratisée » en spécialité neurologique et cardiaque

• Rebergen SA et al, 1993 Magnetic resonance measurement of velocity and flow: technique, validation, and cardiovascular applications

• O. Balédent 2006 Value of phase Contrast Magnetic Resonance Imaging for Investigation of cerebral Hydrodynamics

Tableau comparatif

Echographie Doppler IRM

Avantages Inconvénients Avantages Inconvénients

Grand recul

Disponible

Souplesse

d’utilisation (« au

lit du patient »)

Résolution

spatiale et

temporelle

Coût

Vaisseau par

vaisseau

Opérateur

dépendant

Appareil

dépendant

Pas ou peu

d’étude possible

intra crânienne

notamment

veineuse

Acquisition en un

temps

Richesse des

informations

Reproductible

Contre-indications

Peu accessible

« Rigidité »

(position allongée)

Coût

Le système veineux

• Très étudié pour la pathologie thrombotique

• Complexité et variabilité

• Batson OV 1944 Anatomical problems concerned in the study of cerebral blood flow

• J Andeweg 1996 The anatomy of collateral venous flow from the brain and its value in aetiological interpretation of intracranial pathology

• B. Schaller 2004 Physiology of cerebral venous blood flow: from experimental data in animals to normal function in humans

• Regain récent d’intérêt de l’étude des veines cervicales et cérébrales. Essentiellement dans le cadre de l’hypothèse causale veineuse de la sclérose en plaque

• Zamboni et al 2009. Chronic cerebrospinal venous insufficiency in patients with multiple sclerosis

• Doepp F et al, 2010 No cerebrocervical venous congestion in patients with multiple sclerosis

• Zivadinov R et al, 2011 Prevalence, sensitivity, and specificity of chronic cerebrospinal venous insufficiency in MS

• Souraya Stoquart-El Sankari et al, 2009 A phase-contrast MRI study of physiologic cerebral venous flow

• Elsankari et al, 2013 Concomitant analysis of arterial, venous, and CSF flows using phase-contrast MRI: a quantitative comparison between MS patients and healthy controls

Veines jugulaires internes (VJI)

• Facilement accessible en échographie Doppler

• L’intérêt en IRM n’a été que secondaire initialement, l’étude veineuse faisait partie du bilan entrées-sorties notamment dans le cadre de l’étude du flux du liquide céphalo rachidien

• Littérature récente riche et contradictoire, essentiellement dans des contextes de pathologie

• Hojnacki D et al, 2010 Use of neck magnetic resonance venography, Doppler sonography and selective venography for diagnosis of chronic cerebrospinal venous insufficiency: a pilot study in multiple sclerosis patients and healthy controls

• F. Doepp 2011 Venous drainage in multiple sclerosis A combined MRI and ultrasound study

Problématique

• Nous disposons de deux techniques d’imagerie non invasive

• L’exploration a été essentiellement dédiée à la pathologie dans les études récentes

• L’hétérogénéité des données pourrait expliquer des résultats contradictoires

• Il existe une variabilité individuelle et interindividuelle connue

• J M Valdueza et al, 2000 Postural dependency of the cerebral venous outflow

• Srdjan Cirovic et al, 2003 The effect of posture and positive pressure breathing on the hemodynamics of the internal jugular vein

• J Gisolf et al, 2004 Human cerebral venous outflow pathway depends on posture and central venous pressure

Objectifs

• L’objectif de notre travail a été de quantifier les flux veineux cérébraux par IRM en contraste de phase et échographie doppler sur une même population témoins

• Nous avons également étudié l’influence de la position assise et allongée sur le retour veineux (doppler)

Matériels et méthodes

Matériels et méthodes

• Notre étude est prospective, descriptive, monocentrique au sein du CHU d’Amiens, d’avril à août 2012

• Elle a été soumise à un comité de protection des personnes

Population

• 10 volontaires sains, entre 20 et 35 ans, pas de contre-indication IRM

• Sex ratio 4♂/6♀

• Recueil du consentement

• Absence d’antécédent particulier

• Les témoins vont bénéficier d’une IRM et d’un doppler (position allongée et assise) le même jour, au même moment de la journée (intervalle <1h)

Échographie Doppler

Matériel

• Echographe ACUSON S2000 Siemens, sondes linéaires hautes fréquences, logiciel constructeur d’étude des flux

VJI droite position allongée VJI droite position assise

Exemple chez un même sujet : échographie en mode B de la VJI droite avec variation de la position

Protocole d’échographie doppler

• Gel échographique- Hauteur de l'angle mandibulaire

• Doppler couleur et pulsé

• Angle de mesure en mode pulsé < 60°, sans compression, respiration libre

• Mesures moyennées sur plusieurs cycles cardiaques

• Mesure des diamètres et surface VJI Droite et gauche

• Vitesse max, Vitesse moyenne, Débit moyen

• Mesures répétées en position allongée/décubitus dorsal strict et en position assise à 90° dans le même temps d’examen

VJI gauche en coupe longitudinale, en décubitus dorsal

Mesures de flux effectuées grâce au logiciel constructeur, mesure du

diamètre en longitudinal et étude sur plusieurs cycles cardiaques

IRM

Matériel

• IRM Signa EXCITE 1.5T General Electric Healthcare, antenne dédiée tête et cou, synchronisation cardiaque par patchs

Installation du sujet dans l’antenne et l’IRM, décubitus dorsal

Protocole d’IRM

• L’étude IRM a été plus « exhaustive »

– Étude globale VJI et sinus veineux

– Étude et comparaison de la pulsatilité des débits, défini comme (Dmax-Dmin)/Dmax

• Séquences

– Sagittale T1 « de repérage »

– 3D en temps de vol veineux sans injection de gadolinium

– 2 coupes d’étude de flux par contraste de phase • Une à l’étage cervical : VJI

• Une à l’étage encéphalique : sinus veineux

Paramètres IRM Paramètres conseillés (VJI)

Séquence 2D écho de gradient

TE Temps d’écho minimum avec compensation du flux

TR Minimum (20ms ou moins)

Angle de bascule 25°

Nombre de phases 32

FOV 14*14

Epaisseur de coupe 5mm

Matrice 256*128

Moyennage du signal 2

Vitesse d’encodage 80cm/s

Bande passante +/-16kHz ou 125Hz/pixel

Antenne Tête et cou

Sens d’encodage de phase Gauche-Droite

Sens d’encodage du flux Supérieur-Inférieur

Analyse du flux OUI

Post traitement

• Logiciel d'étude des flux développé au sein du laboratoire, fiable et reproductible (« Flow Analysis ») disponible en accès libre sur www.tidam.fr

• La segmentation du flux est semi-automatique et la vitesse d’encodage est adaptée au flux veineux avec un rapport signal sur bruit jugé satisfaisant

• Baledent O et al, 2001 Cerebrospinal fluid dynamics and relation with blood flow: a magnetic

resonance study with semiautomated cerebrospinal fluid segmentation

• Baledent O et al, 2006 Value of phase contrast magnetic resonance imaging for investigation of cerebral hydrodynamics

• Poster JFR 2011 http://pe.sfrnet.org/ModuleConsultationPoster/posterDetail.aspx?intIdPoster=5123

1 : Une coupe cervicale passant par C2C3, perpendiculaire aux vaisseaux cervicaux 2 : Une coupe coronale oblique en arrière du V4, coupant le plus perpendiculairement possible le sinus sagittal supérieur et les sinus latéraux

Image IRM sagittale T1, positionnement des plans de coupe

1

2

Imagerie de phase, coupe 1

Plan de coupe 1 Plan de coupe 2

• Ce que nous voyons en images (cinétique) représente 32 phases d’un cycle cardiaque

• Par postulat, les variations d’intensités de noirs sont des variations des vitesses entrantes artères et d’intensité de blanc pour les veines

1

2

Images de PC-IRM obtenues

Seuillage par logiciel dédié

• Grâce au logiciel, les différents paramètres (vitesse, débits…) peuvent être extraits sous forme de graphiques puis mis en tableaux

• L’exemple ci-contre représente une VJI droite

Seuillage du flux dans la veine jugulaire interne

droite

Statistiques

• L’évaluation de la concordance des résultats entre les mesures Doppler et IRM a été effectuée avec un test de Bland-Altman et un coefficient de détermination (R2)

• La comparaison des débits des VJI, mesurée par le Doppler dans les positions couchés et assises a été faite avec un test de Wilcoxon apparié

• La pulsatilité au cours du cycle cardiaque de l’écoulement dans les sinus et les jugulaires s’est faite par un test de Wilcoxon apparié

Résultats

Echographie doppler

• La comparaison entre les débits en décubitus et en position assise montre une nette chute en position assise de façon assez globale, confirmé par le test de Wilcoxon apparié

Débits allongé/debout pour chaque sujet en échographie doppler

VJI droite

VJI gauche

• Résultats très hétérogènes entre les témoins mais également entre la VJI droite et gauche d’un même témoin

• L’étude dynamique « couché-assis » montre une nette chute des débits jugulaires de façon globale en position assise

Débits des VJI en IRM

• En IRM, il existe également une hétérogénéité inter et intra témoin pour les VJI

Pulsatilité et normalisation en IRM

Variation des débits à chaque phase du cycle cardiaque et obtention de

courbes dépendantes

Pulsatilité des débits (Dmax-Dmin)/Dmax après normalisation (par la moyenne et l’écart-type) à chaque

phase du cycle cardiaque, permettant d’affranchir la valeur de la pulsatilité

de celle du débit

Comparaison IRM/Doppler

• Pour les débits comme les vitesses, la comparaison statistique par le R² comme le test de Bland-Altman ne retrouve pas de corrélation statistique entre les valeurs Doppler et IRM

Corrélations statistiques Doppler/IRM R² et Bland-Altman

Coefficient de détermination R²

Discussion

Discussion : critique de la méthodologie

• Étude pilote avec un faible nombre de sujets

• Monocentrique

• Pas de répétition dans le temps/machine/opérateur, ce qui aurait donné des résultats plus robustes

• L’étude pour chaque sujet a été réalisée dans le même temps et dans le même ordre : échographie doppler puis IRM afin d’être dans les conditions les plus proches possibles

Discussion : doppler

• 1 opérateur

• Nous avons utilisé des contraintes de reproductibilité par rapport à l'IRM non réalisées dans les autres études (respiration libre sans manœuvre de Valsalva, ni Trendelenburg, ni compression hépatique ; si la VJI était « plate », la valeur du débit était notée proche de 0)

• Limites techniques inhérentes • Pour la position assise, il était plus difficile d’être stable sans effectuer de

compression cervicale

• Toute variation de mesure du rayon de la VJI entraîne une variation au carré du débit. En cas de VJI quasi « plate », l’ « erreur de mesure » s’approche de la taille de ce rayon. C’est ce qui rend l’étude des veines difficile comparativement aux artères dont le calibre varie moins

• Par ailleurs le calibre des veines varie en fonction du cycle respiratoire et du cycle cardiaque (cf IRM), renforçant l’erreur de mesure possible

Illustration de la limite technique

VJI droite

Position allongée Position assise

Plus de difficultés en position assise pour un même sujet : VJI moins « ronde » et moins grande pouvant engendrer plus d’erreurs de mesure

Discussion : IRM

• Pas de difficulté lors du protocole

• Post traitement et segmentation réalisées par l’opérateur

• Excellentes corrélations statistiques

Comparaison débit sinus/jugulaires (1)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0,1 0,2 0,3 0,4

Pu

ls_L

at

Puls_Lat

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0 0,5

Puls_Sag

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,2 0,4 0,6

Pu

ls_L

at

Puls_Jug

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,1 0,2 0,3 0,4

Pu

ls_S

ag

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,5

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,2 0,4 0,6

Pu

ls_S

ag

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,1 0,2 0,3 0,4

Pu

ls_J

ug

Puls_Lat

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0 0,5

Puls_Sag

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0,2 0,4 0,6

Pu

ls_J

ug

Puls_Jug

Coefficient de détermination R²

Corrélation de la pulsation des débits sinus/VJI sous forme de

nuage de points

Ces valeurs montrent une bonne association statistique entre les

débits intra crâniens et cervicaux

Comparaison débit sinus/jugulaires (2)

• Les corrélations

statistiques sont excellentes entre les flux veineux intra crâniens (sinus sagittal et latéraux) mais également avec les VJI

• Ces corrélations montrent que nous mesurons « la même chose ». Cet aspect confirme la robustesse de l’IRM pour la mesure des flux

Matrice de corrélation (Spearman) :

Variables Puls_Lat Puls_Sag Puls_Jug

Puls_Lat 1 0,917 0,767

Puls_Sag 0,917 1 0,750 Puls_Jug 0,767 0,750 1

Les valeurs en gras sont significativement différentes de 0 à un niveau de signification alpha=0.05

p-values :

Variables Puls_Lat Puls_Sag Puls_Jug

Puls_Lat 0 0,001 0,021 Puls_Sag 0,001 0 0,025

Puls_Jug 0,021 0,025 0

Les valeurs en gras sont significativement différentes de 0 à un niveau de signification alpha=0.05

Coefficients de détermination (Spearman) :

Variables Puls_Lat Puls_Sag Puls_Jug

Puls_Lat 1 0,840 0,588

Puls_Sag 0,840 1 0,563

Puls_Jug 0,588 0,563 1

Comparatif : mesure-t-on dans les mêmes conditions ?

• Logiciels de calcul différents

• Difficultés de mesure • Manuelle en doppler

• Semi-automatique en IRM

• Importance de la surface dans le calcul du débit, les variations de forme des veines au cours des cycles cardiaque et respiratoire n’ont pas été pris en compte en doppler et volontairement également en IRM (découpage en 32 phases du cycle cardiaque). En IRM la mesure de la surface se fait sur une imagerie non morphologique # surface « fonctionnelle »

Discussion : critique des résultats

• Pas de concordance statistique entre les 2 outils • Manque d'expérience de notre centre pour les mesures de débit

de doppler veineux, non effectué en « routine »

• Valeurs aberrantes en doppler parasitant le faible nombre de sujets

• Analyse non exhaustive des données (surtout en IRM)

• Les variations de pulsatilité peuvent s'expliquer par l'anatomie sinus/veine (paroi rigide versus paroi souple)

• Analyse quantitative surtout et peu qualitative, en défaveur a priori de l’échographie doppler

Conclusion

Conclusion

• Notre étude confirme la complexité du système veineux

• Il existe des différences entre les flux intra crâniens et cervicaux (IRM) pouvant être expliquées éventuellement par des différences anatomiques/histologiques

• Les plus grandes variations de flux que nous avons obtenues pour des témoins sont au niveau des VJI. Le doppler, grâce à l’étude dynamique, nous montre une adaptation à la position. Il est facile d’accès, permet des mesures dans différentes positions mais semble moins fiable quantitativement

• L’IRM est une technique robuste, précise pour la mesure des flux veineux intra et extra crânien

Perspectives

• Est-ce que la variabilité des flux du retour veineux cérébral sous-tend une certaine souplesse du système veineux

• Si c’est le cas, y existe-t-il des limites à cette plasticité ?

• Une meilleure compréhension de cette physiologie offrirait de nouvelles approches physiopathologiques et éventuellement thérapeutiques

• La combinaison des approches complémentaires IRM et doppler pourra être utile pour comprendre et mieux diagnostiquer les pathologies cérébrales potentiellement

d’origine veineuse