Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES

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)