neurospectroscopie par résonance magnétique quelques principes
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Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES. Patrick COZZONE 2007 Centre d ’Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM) UMR CNRS 6612 - Aix Marseille Université Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone , Marseille. Anatomie - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Neurospectroscopie Neurospectroscopie par Résonance Magnétique par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPESQUELQUES PRINCIPES
Patrick COZZONEPatrick COZZONE20072007
Centre d ’Exploration Métabolique par Centre d ’Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM) Résonance Magnétique (CEMEREM)
UMR CNRS 6612 - Aix Marseille Université UMR CNRS 6612 - Aix Marseille Université
Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone , MarseilleFaculté de Médecine et Hôpital de la Timone , Marseille
IRM "Tissulaire" Diffusion
Transfert d ’aimantation
Anatomie T1w et T2w IRM
HémodynamiquePerfusion
Bolus trackingSpin labelling
Fonction IRMf Angiographie RM
Exploration du cerveau
parRésonance Magnétique
Métabolisme Spectrométrie In vivo
Angio-MR
Perfusion MRI
Diffusion MRI
MRI-Flash T2* MRS
fMRI
LAC / NAA
Metabolic Imaging
Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale
CEMEREM-CRMBM-Marseille
NAA
tCrtCho
IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE
Prix Nobel de Physique 1952
Félix Bloch Edward Purcell
IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE
Prix Nobel de Médecine ou Physiologie 2003
Paul Lauterbur Peter Mansfield
L ’IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE
Prix Nobel de Chimie 1991 Prix Nobel de Chimie 2002Richard Ernst Kurt Wuthrich
LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE
SRM CEREBRALESRM 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
PRINCIPEPRINCIPE
DE LA SRMDE LA SRM
IMAGERIE et SPECTROMETRIEIMAGERIE et SPECTROMETRIE
IMAGERIE et SPECTROMETRIEIMAGERIE et SPECTROMETRIE
• IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules
IMAGE IMAGE (caractérisation anatomique)(caractérisation anatomique)
IMAGERIE et SPECTROMETRIEIMAGERIE 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 IMAGE (caractérisation anatomique)(caractérisation anatomique)
SPECTRE SPECTRE (caractérisation métabolique)(caractérisation métabolique)
NMR signal
TF
IRM
In vivo MRS, MRI
100 M
NMR signal
TF
MRI
In vivo MRS, MRI
100 M
waterwater
metabolitesmetabolites
NMR signal
TF
TF
MRI
MRS
In vivo MRS, MRI
100 M
1-10 mM
NMR signal
waterwater
metabolitesmetabolites
H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
IRMIRM
Impulsion Impulsion RFRF
TFTF
BB00 et et GradientsGradients
H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
SRMSRMBB00
Impulsion Impulsion RFRF
I I
TFTF
H
H
eau
éthanol
OOHH
CCHH22
CCHH33
Déplacement chimique
H2O
HH
HH
HH
H
ppm
Deux règles de base
1. Le déplacement chimique (fréquence de résonance) des protons d ’une molécule donnée est constant . Il caractérise la molécule.
2. L ’intensité du signal varie en fonction de la concentration.
I I
HH
HH
IRMIRM
IMAGEInformation anatomique
SPECTREInformation métabolique
Concentration
TE = 135 ms
SRMSRM
NAACr/PCr
CHO
Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long
CEMEREM-CRMBM-Marseille
NAA
tCrtCho
NAA
Lipides
tCr
tChoIns Glx
Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo court
CEMEREM-CRMBM, UMR CNRS 6612, Marseille
Proton MRS spectrum of the human brain 1.5 T vs 3T
PRESS 35 ms
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
3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0PPM
C H3
C
NH
CH CO
OHC H2
CO
O
SRM duN-Acétyl Aspartate (NAA)
OH
3.5 3 2.544.5PPM
SRM de la Créatine
C H3
C H2CO
-O
C NH
N3H+
N
PPM4.5 4 3.5 3 2.5 2
H3 C +N
CH3
CH3
C H2 C H2 OH
SRM de la Choline
3.5 3 2.5 2 1.54PPM
N-Acétyl Aspartate (NAA)
Choline
Créatine
3.5 3 2.5 2 1.54PPM
N-Acétyl Aspartate (NAA)
Choline
Créatine
Spectre calculé
Spectre réelSpectre réel
NAANAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale
NAACr/PCrCHO
Lac
TE = 135 msTE = 135 ms
LacLac (Lactate) : témoin d ’un processus ischémique, d ’un dysfonctionnement mitochondrial ou d ’une infiltration macrophagique
CHOCHO (Choline) : marqueur des membranes (lésions, renouvellement), de la myéline ou d ’une inflammation (bétaïne)
Cr/PCrCr/PCr (Créatine-Phosphocréatine) : marqueur de densité cellulaire
mI: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale)
mI
ChoCr
NAA
Cr
Glx: glutamine-glutamate, (« neurotransmetteurs » ) métabolisme NH3, excitotoxicité.
Glx
Lip: lipides, nécrose ou contamination (scalp)intégrité membranaire, dyslipidémies ...
Lip
TE = 35 ms
ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL
• Neurones
• Cellules Gliales•Astrocyte•Oligodendrocyte•Myéline
• Microglie et macrophages
METABOLISME NEURO-GLIALMETABOLISME NEURO-GLIAL
Neuron Plasmic Membrane
Glial Plasmic Membrane
N-Acétyl Aspartate
NAAConcentration élevée
Rôle dans la synthèse protéique
Rôle dans la synthèse lipidique?
Stockage de l’Aspartate?
Métabolite du NAAG ?
Osmorégulation ?
GLUTAMATE et GLUTAMINE
NEURONASTROCYTE
glutamine
glutamate
GABAGABA
glutamate
glutamine
NH3 glutaminase
Glutamic acid decarboxylase (GAD)GABA transaminase
Glutamine synthetase
CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE
Exploration du métabolisme cérébral par SRM 1H in vivo
AA EXCITATEUR
myo -Inositolglycine
cholineet dérivés
créatinephosphocréatine
N-acétyl aspartate
-protéines-acides aminés-lipides mobiles-si acide lactique
glutamate (neurones)glutamine (glie )
MALADIES METABOLIQUES
METABOLISME MEMBRANAIREMYELINISATION / DEMYELINISATION
ANOXIE
INFLAMMATION
EXCITOTOXICITE
METABOLISME NH3CYCLE GLUTAMINE-GLUTAMATE
CELLULARITEBIOENERGÉTIQUEMARQUEUR GLIAL
METABOLISME MEMBRANAIREMYELINISATION / DEMYELINISATION
INFLAMMATIONPROCESSUS TUMORAL
taurinescyllo-inositol
OSMOLYTES
OSMOLYTEMARQUEUR GLIAL
AA EXCITATEUR
MARQUEUR NEURONAL
0.501.001.502.002.503.003.504.00 0.00ppm
Spectrométrie de Résonance MagnétiqueSpectrométrie de Résonance MagnétiqueCérébraleCérébrale
- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral
Spectrométrie de Résonance MagnétiqueSpectrométrie de Résonance MagnétiqueCérébraleCérébrale
- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral
- Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM
Spectrométrie de Résonance MagnétiqueSpectrométrie de Résonance MagnétiqueCérébraleCérébrale
- 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,….)
Spectrométrie de Résonance MagnétiqueSpectrométrie de Résonance MagnétiqueCérébraleCérébrale
- 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
MONOVOXEL
LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
MONOVOXELMULTIVOXELMULTIVOXEL (CSI 2D)Imagerie métabolique
LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
SRM monovoxel: Méthode de localisation
La sélection du volume sensible (VOXEL) est le résultat de 3 excitations sélectives successives dans trois plans orthogonaux
SRM monovoxel: Méthode de localisation
- STEAM / VEST / VOSY (stimulated echo acquisition mode)
- PRESS ( point resolved spectroscopy)
- CHESS (élimination du signal de l’eau)
Sensibilité: PRESS > STEAMRésolution Spatiale: STEAM > PRESS
DEUX METHODES :
STEAMPRESS
Coupe sagittale
Coupe transverse
Coupe coronale
SPECTRE
Diagnostic positif de tumeurDiagnostic positif de tumeur
CHOLINECHOLINE
NAANAA
Controlatéral normalControlatéral normal
Avantages rapide (1 mn) traitement simple
Inconvénient un seul voxel
Spectrométrie monovoxelSpectrométrie monovoxel
Techniques de localisation monovoxelSRM du pôle temporal droit
CEMEREM-Marseille
SRM du pôle temporal gauche
MONOVOXELMULTIVOXELMULTIVOXEL (CSI 2D)Imagerie métabolique
LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
FID
1 pulse
FID
1 pulse
Gx
Gy
Gz
Acquisition
2DPhase encoding
Number of acquisitions: Nx Ny
FID
1 pulse
FID
1 pulse
Gx
Gy
Gz
Acquisition
3DPhase encoding
Number of acquisitions: Nx Ny Nz
/2
TE/2 TE/2
SPIN ECHO
2D Phase encoding
Gx
Gy
GzSliceselection
Number of acquisitions: Nx Ny
Imagerie métabolique avec tranches de saturation
OVS = outer volume saturation
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
SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE
SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE CARTE DES SPECTRES
IMAGERIE METABOLIQUE(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRESCARTE DES SPECTRES
Résolution11 x 11 mm
CARTOGRAPHIE NAACEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612
PlanBihippocampique
CA-CP + 8mm
Positionnement des coupes en imagerie métabolique
Temporal NéocortexHippocampe Postérieur Hippocampe Antérieur Gche
CEMEREM-Marseille
Sujet contrôle
SAGITTAL CSI 2D 135 msPosterior Fossa D. Galanaud et al. MAGMA 13 (2001)127-133
CEMEREM-CRMBM, Marseille
Mesancephalon
Cerebellar WM
Medulla oblongata
Pons
Vermis
Imagerie métabolique protonique sagittale médiane
1) Genou
2) Partie Antérieure 3) Partie Postérieure NAA
CrCho
4) Splénium
NAA : N-acétyl-aspartateCr:Créatine,PhosphocréatineCho: Choline
Exploration IRM/SRM centrée sur le CC
(Ranjeva et al., Multiple Sclerosis 2003)
Taille CC MD MTR
2 1 034 ppm
Cho
NAA
2 1 034 ppm
Lesion TE = 135 ms
Controlateral TE = 135 ms
Diagnostic positif de tumeurDiagnostic positif de tumeur
12
34
Gliomes : Diagnostic d’extension
1
2
3
4
Guidage du geste biopsique
IMAGERIE METABOLIQUE(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRESCARTE DES SPECTRES
1
2
3 4
image (1) image (3)
image (2) image (4)
NAANAACrCr
CHOCHOLactateLactate
IMAGERIE METABOLIQUE(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRESCARTE DES SPECTRES image du lactate à 4
(4)
CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612
NAA CHO Cr
IMAGERIEMETABOLIQUE
HAUTE RESOLUTION
TE = 135 ms
NAA CHO Cr
NAA
CHOCr
CEMEREM-Marseille
Diagnostic différentiel
Gliomatose vs
Gliome de Bas Grade
D. Galanaud et al.Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269-276
CEMEREM-Marseille
Diagnostic différentiel
Gliomatose vs
Gliome de Bas Grade
D. Galanaud et al.Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269-276
Imagerie métabolique des tumeursImagerie métabolique des tumeursDiagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas gradeDiagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade
Cho/Cr
Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas gradeDiagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade
SVS TE=20 ms
SVS TE=20 ms
NAA
NAA
NAA
NAA
Cr
Cr
Cr
Cr
Cho
Cho
Cho
Cho
mI
mI
Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas gradeDiagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Analyse en Composantes Principales des MétabolitesAnalyse en Composantes Principales des Métabolites
F2
Cho/S
Ins/S
NAA/S
Cr/S
LGGNV
GC
SV TE=20 ms
F1
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
SRM CÉRÉBRALE EN 2007CSI 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
SRM CÉRÉBRALE EN 2007CSI 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 mmsélection de
tranche sur 80 mm
Spectrométrie monovoxel -> 1 seul volume d’intérêt
Imagerie métabolique -> plusieurs volumes d’intérêt
< 5 minutes Robuste Fiable Information spatiale limitée
10 minutes + (12 min pour 21x21 voxels de 5ml) Information spatiale plus importante
Capacité technique
SRM Recherche
SRM Clinique
IRM
Facilité d'utilisation
IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (1995)
Capacité technique
SRM Recherche SRM
Clinique
IRM
Facilité d'utilisation
IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (2007)
Impact diagnostique et thérapeutique
SRM Recherche
SRM Clinique
IRM
Bénéfice pour le patient
IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (1995)
Impact diagnostique et thérapeutique
SRM Recherche
SRM Clinique
IRM
Bénéfice pour le patient
IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (2007)