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Neurospectroscopie Neurospectroscopie par Résonance Magnétique par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES QUELQUES PRINCIPES

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(1)

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

(2)

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

(3)

Angio-MR

Perfusion MRI Diffusion MRI

MRI-Flash T2* MRS

fMRI

LAC / NAA

Metabolic Imaging

(4)

Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale

CEMEREM-CRMBM-Marseille

NAA

tCho tCr

(5)

IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE

(6)

Prix Nobel de Physique 1952

Félix Bloch Edward Purcell

IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE

(7)

Prix Nobel de Médecine ou Physiologie 2003 Paul Lauterbur Peter Mansfield

L ’IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE

(8)

Prix Nobel de Chimie 1991 Prix Nobel de Chimie 2002 Richard Ernst Kurt Wuthrich

LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE

(9)

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

(10)

PRINCIPE PRINCIPE

DE LA SRM

DE LA SRM

(11)

IMAGERIE et SPECTROMETRIE

IMAGERIE et SPECTROMETRIE

(12)

IMAGERIE et SPECTROMETRIE IMAGERIE et SPECTROMETRIE

• IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules

IMAGE

IMAGE

(caractérisation anatomique)(caractérisation anatomique)

(13)

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)

(14)



NMR signal



TF

IRM In vivo MRS, MRI

100 M

(15)



NMR signal



TF

MRI In vivo MRS, MRI

100 M

water water

metabolites metabolites

(16)



NMR signal





TF

TF

MRI

MRS

In vivo MRS, MRI

100 M

1-10 mM

NMR signal



water water

metabolites metabolites

(17)

H2O

H2O H2O

H2O H2O

H2O H2O

H2O

H2O

H2O

IRMIRM

Impulsion Impulsion

RFRF

TFTF

BB00 et et

Gradients Gradients

(18)

H2O

H2O H2O

H2O H2O

H2O H2O

H2O

H2O

H2O

SRMSRM

BB00

Impulsion Impulsion

RFRF

I I

TFTF

(19)

H

H eau

éthanol

OOHH

CCHH22 CCHH33

Déplacement chimique H2O

HH

HH

HH

H

ppm

(20)

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

(21)

IRMIRM

IMAGE

Information anatomique

SPECTRE

Information métabolique

Concentration

TE = 135 ms

SRMSRM

NAA Cr/PCr

CHO

(22)

Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long

CEMEREM-CRMBM-Marseille

NAA

tCho tCr

(23)

NAA

Lipides tCr

tCho

Ins Glx

Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo court

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

(26)

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

(27)

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

(28)

PPM

4.5 4 3.5 3 2.5 2

H3 C +N CH3

CH3

C H2 C H2 OH SRM de la Choline

(29)

3.5 3 2.5 2 1.5 4

P P M

N-Acétyl Aspartate (NAA)

Choline Créatine

(30)

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

(31)

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

(32)

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

(33)

ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL

Neurones

Cellules Gliales

•Astrocyte

•Oligodendrocyte

•Myéline

Microglie et macrophages

METABOLISME NEURO-GLIALMETABOLISME NEURO-GLIAL

(34)

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 ?

(35)

GLUTAMATE et GLUTAMINE

NEURON ASTROCYTE

glutamine glutamate GABA GABA

glutamate

glutamine

NH3 glutaminase

Glutamic acid decarboxylase (GAD) GABA transaminase

Glutamine synthetase

CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE

(36)

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

(37)

Spectrométrie de Résonance Magnétique Spectrométrie de Résonance Magnétique

Cérébrale Cérébrale

- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral

(38)

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

(39)

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,….)

(40)

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

(41)

MONOVOXEL

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES

(42)

MONOVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2D)MULTIVOXEL Imagerie métabolique

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES

(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

- 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 :

(45)
(46)

STEAM

PRESS

(47)
(48)
(49)
(50)
(51)
(52)
(53)

Coupe sagittale

Coupe transverse

Coupe coronale

SPECTRE

(54)

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

(55)

Techniques de localisation monovoxel

SRM du pôle temporal droit

CEMEREM-Marseille

SRM du pôle temporal gauche

(56)

MONOVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2D)MULTIVOXEL Imagerie métabolique

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES

(57)
(58)

FID

1 pulse

FID

1 pulse

Gx Gy Gz

Acquisition

2D

Phase encoding

Number of acquisitions: Nx Ny

(59)

FID

1 pulse

FID

1 pulse

Gx Gy Gz

Acquisition

3D

Phase encoding

Number of acquisitions: Nx Ny Nz

(60)

/2

TE/2 TE/2

SPIN ECHO

2D

Phase encoding

Gx Gy Gz Slice

selection

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 CARTE DES SPECTRES

(66)

Résolution 11 x 11 mm

CARTOGRAPHIE NAA

CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612

(67)

Plan

Bihippocampique

CA-CP + 8mm

Positionnement des coupes en imagerie métabolique

(68)

Temporal Néocortex

Hippocampe Postérieur Hippocampe Antérieur Gche

CEMEREM-Marseille

Sujet contrôle

(69)

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

(70)

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

(71)

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

(72)

1

23 4

Gliomes : Diagnostic d’extension

1

2

3

4

Guidage du geste biopsique

(73)

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

(74)

IMAGERIE METABOLIQUE

(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)

CARTE DES SPECTRES

CARTE DES SPECTRES image du lactate à 4 (4)

(75)

CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612

NAA CHO Cr

IMAGERIE METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION

TE = 135 ms

NAA CHO Cr

NAA CHO Cr

(76)

CEMEREM-Marseille

Diagnostic différentiel Gliomatose

vs

Gliome de Bas Grade

D. Galanaud et al.

Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269-276

(77)

CEMEREM-Marseille

Diagnostic différentiel Gliomatose

vs

Gliome de Bas Grade

D. Galanaud et al.

Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269-276

(78)

Imagerie métabolique des tumeurs Imagerie métabolique des tumeurs

Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade

Cho/Cr

(79)

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

(80)

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

(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

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

(85)

Capacité technique

SRM Recherche

SRM Clinique

IRM

Facilité d'utilisation IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (1995)

(86)

Capacité technique

SRM

Recherche SRM Clinique

IRM

Facilité d'utilisation IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (2007)

(87)

Impact

diagnostique et thérapeutique

SRM Recherche

SRM Clinique

IRM

Bénéfice pour le patient IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (1995)

(88)

Impact

diagnostique et thérapeutique

SRM Recherche

SRM Clinique

IRM

Bénéfice pour le patient IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (2007)

Références

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