Neurospectroscopie Neurospectroscopie
par Résonance Magnétique par Résonance Magnétique
QUELQUES PRINCIPES QUELQUES PRINCIPES
Patrick COZZONE Patrick COZZONE
20072007
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 , Marseille Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone , Marseille
IRM "Tissulaire"
Diffusion
Transfert d ’aimantation
Anatomie
T1w et T2w IRM
Hémodynamique
Perfusion Bolus tracking
Spin labelling
Fonction
IRMf Angiographie RM
Exploration du cerveau
par
Résonance 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
tCho tCr
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 2002 Richard Ernst Kurt Wuthrich
LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE
SRM CEREBRALE 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
PRINCIPE PRINCIPE
DE LA SRM
DE LA SRM
IMAGERIE et SPECTROMETRIE
IMAGERIE et SPECTROMETRIE
IMAGERIE et SPECTROMETRIE IMAGERIE et SPECTROMETRIE
• IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules
IMAGE
IMAGE
(caractérisation anatomique)(caractérisation anatomique)IMAGERIE et SPECTROMETRIE 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
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
water water
metabolites metabolites
NMR signal
TF
TF
MRI
MRS
In vivo MRS, MRI
100 M
1-10 mM
NMR signal
water water
metabolites metabolites
H2O
H2O H2O
H2O H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
IRMIRM
Impulsion Impulsion
RFRF
TFTF
BB00 et et
Gradients Gradients
H2O
H2O H2O
H2O H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
SRMSRM
BB00
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
IMAGE
Information anatomique
SPECTRE
Information métabolique
Concentration
TE = 135 ms
SRMSRM
NAA Cr/PCr
CHO
Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long
CEMEREM-CRMBM-Marseille
NAA
tCho tCr
NAA
Lipides tCr
tCho
Ins 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 0 PPM
C H3 C NH
CH C O C H2 OH
O C
O
SRM du
N-Acétyl Aspartate (NAA)
OH
3.5 3 2.5 4.5 4
PPM
SRM de la Créatine
C H3 C H2
C O
-O
C NH N+3H N
PPM
4.5 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 1.5 4
P P M
N-Acétyl Aspartate (NAA)
Choline Créatine
3.5 3 2.5 2 1.5 4
P P M
N-Acétyl Aspartate (NAA)
C holine Créatine
Spectre calculé
Spectre réel Spectre réel
NAANAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale
Cr/PCr NAA CHO
Lac
TE = 135 ms TE = 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/PCr
Cr/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 NAA
Concentration élevée Rôle dans la synthèse
protéique
Rôle dans la synthèse lipidique?
Stockage de l’Aspartate?
Métabolite du NAAG ? Osmorégulation ?
GLUTAMATE et GLUTAMINE
NEURON ASTROCYTE
glutamine glutamate GABA GABA
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-Inositol glycine
choline et dérivés
créatine
phosphocréatine
N-acétylaspartate
-protéines -acides aminés -lipides mobiles -si acide lactique glutamate (neurones)
glutamine (glie )
MALADIES METABOLIQUES
METABOLISME MEMBRANAIRE MYELINISATION / DEMYELINISATION
ANOXIE
INFLAMMATION EXCITOTOXICITE
METABOLISME NH3
CYCLE GLUTAMINE -GLUTAMATE CELLULARITE
BIOENERGÉTIQUE MARQUEUR GLIAL
METABOLISME MEMBRANAIRE MYELINISATION / DEMYELINISATION
INFLAMMATION
PROCESSUS TUMORAL
taurine
scyllo-inositol OSMOLYTES
OSMOLYTE
MARQUEUR GLIAL
AA EXCITATEUR
MARQUEUR NEURONAL
0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50
4.00 0.00
ppm
Spectrométrie de Résonance Magnétique Spectrométrie de Résonance Magnétique
Cérébrale Cérébrale
- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral
Spectrométrie de Résonance Magnétique Spectrométrie de Résonance Magnétique
Cérébrale Cérébrale
- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral
- Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM
Spectrométrie de Résonance Magnétique Spectrométrie de Résonance Magnétique
Cérébrale 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,….)
Spectrométrie de Résonance Magnétique Spectrométrie de Résonance Magnétique
Cérébrale 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
MONOVOXEL
LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
MONOVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2D)MULTIVOXEL 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 > STEAM
Résolution Spatiale: STEAM > PRESS
DEUX METHODES :
STEAM
PRESS
Coupe sagittale
Coupe transverse
Coupe coronale
SPECTRE
Diagnostic positif de tumeur Diagnostic positif de tumeur
CHOLINE CHOLINE
NAANAA
Controlatéral normal Controlatéral normal
Avantages
rapide (1 mn) traitement simple
Inconvénient un seul voxel
Spectrométrie monovoxel
Spectrométrie monovoxel
Techniques de localisation monovoxel
SRM du pôle temporal droit
CEMEREM-Marseille
SRM du pôle temporal gauche
MONOVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2D)MULTIVOXEL Imagerie métabolique
LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
FID
1 pulse
FID
1 pulse
Gx Gy Gz
Acquisition
2D
Phase encoding
Number of acquisitions: Nx Ny
FID
1 pulse
FID
1 pulse
Gx Gy Gz
Acquisition
3D
Phase encoding
Number of acquisitions: Nx Ny Nz
/2
TE/2 TE/2
SPIN ECHO
2D
Phase encoding
Gx Gy Gz Slice
selection
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 SPECTRES CARTE DES SPECTRES
Résolution 11 x 11 mm
CARTOGRAPHIE NAA
CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612
Plan
Bihippocampique
CA-CP + 8mm
Positionnement des coupes en imagerie métabolique
Temporal Néocortex
Hippocampe Postérieur Hippocampe Antérieur Gche
CEMEREM-Marseille
Sujet contrôle
SAGITTAL CSI 2D 135 ms
Posterior 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 Cr
Cho
4) Splénium
NAA : N-acétyl-aspartate Cr:Créatine,Phosphocréatine Cho: Choline
Exploration IRM/SRM centrée sur le CC
(Ranjeva et al., Multiple Sclerosis 2003)
Taille CC MD MTR
2 1 0
4 3 ppm
Cho
NAA
2 1 0
4 3 ppm
Lesion TE = 135 ms
Controlateral TE = 135 ms
Diagnostic positif de tumeur
Diagnostic positif de tumeur
1
23 4
Gliomes : Diagnostic d’extension
1
2
3
4
Guidage du geste biopsique
IMAGERIE METABOLIQUE
(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRES CARTE DES SPECTRES
1
2 3 4
image (1) image (3) image (2) image (4)
NAANAA CrCr
CHOCHO
Lactate Lactate
IMAGERIE METABOLIQUE
(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRES
CARTE DES SPECTRES image du lactate à 4 (4)
CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612
NAA CHO Cr
IMAGERIE METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION
TE = 135 ms
NAA CHO Cr
NAA CHO Cr
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 tumeurs Imagerie métabolique des tumeurs
Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade
Cho/Cr
Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Diagnostic 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 grade Diagnostic 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
NV LGG
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 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
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
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)