FAISABILITFAISABILITÉÉ ET REPRODUCTIBILITET ...pe.sfrnet.org/Data/ModuleConsultationPoster/pdf/2010/1/aa436634-4e... · Travail Financé par une Bourse de la Société ... • mesure

FAISABILITFAISABILITÉÉ ET REPRODUCTIBILITET REPRODUCTIBILITÉÉ

DE L’IRMf D’ACTIVATION DE L’IRMf D’ACTIVATION

PAR ARTERIAL SPIN LABELING PAR ARTERIAL SPIN LABELING ÀÀ 3T3T

H Raoult (1,2) , J Petr (2), JY Gauvrit (1,2,3), A Stamm (2), E Bannier (3), C Barillot (2,3), JC Ferré (1,2)

Travail Financé par une Bourse de la Société Française de Radiologie

Unité/Projet Visages U7461

(1) Unité de Neuroradiologie, service d’imagerie médicale, Rennes

(2) Unité/Projet Visages U746, campus de Beaulieu, Rennes

(3) Plateforme Neurinfo, Rennes

marquage TI acquisition

traceur endogène = protons du sang artériel marqués magnétiquement (Detre , MRM 1992)

PLACE DE L’ASL EN IRMfPLACE DE L’ASL EN IRMf

Principe de l’ASLPrincipe de l’ASL

marquage TI acquisition

1. marquage 2.TI 3. acquisition

2

1. Marquage des spins artériels par une impulsion d’inversion de180°

2. Délai TI permettant aux spins marqués de rejoindre le volume d’intérêt

3. Acquisition du volume d’intérêt

Une 2nde acquisition du volume d’intérêt est réalisée sans marquage préalable des spins d’amont.

- =


Principe de l’ASLPrincipe de l’ASL

image marquée image contrôle image de perfusion

L’acquisition alternée d’image avec marquage et sans marquage (contrôle) permet d’obtenir, pas

soustractions successives, une image perfusionelle du parenchyme cérébral. (Detre, Magn Reson Med, 1992)

3


But de l’IRMf d’activation: But de l’IRMf d’activation:

Cartographier les modifications de l’activité neuronale lors de la réalisation d’une

tâche motrice ou cognitive ou lors de stimulation sensitive ou sensorielle

Théorie princeps = couplage neurovasculaireThéorie princeps = couplage neurovasculaireThéorie princeps = couplage neurovasculaireThéorie princeps = couplage neurovasculaire

L’activité neuronale entraine une augmentation locorégionale de la

consommation en oxygène et une augmentation encore plus importante du débit

sanguin cérébral local, par vasodilatation artériolaire.(Roy, J Physiol, 1890)

4


Principe de l’ASL fonctionnel (ASLf)Principe de l’ASL fonctionnel (ASLf)

• Le signal ASLf est un biomarqueur direct des variations du DSC à l’échelle capillaire

⇒ Quantification et localisation spatiale précise++ de l’activité neuronale (Ances, Neuroim 2008; Jin, Neuroim, 2008)

Activité neuronale

↑↑ B 2B 2C upl e

5

Vasodilatation artériolaire

Signal ASLfSignal ASLf

↑↑ Besoins en O2Besoins en O2

↑↑ DSC

⇓

↑VSC

↑ [oxyHb]/[dHb]

Signal BOLDSignal BOLD⇓

(Roy, J Physiol, 1890)

Couplage neurovasculaire


IRMf de référence: par effet BOLD IRMf de référence: par effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent)

• contraste basé sur l’hyperoxygénation capillaro-veineuse dans les aires activées

• avec pour corolaire une réduction relative du taux de déoxyhémoglobine dont les propriétés

paramagnétiques sont responsables d’une petite élévation relative du signal en pondération T2*(Belliveau. Science 1991)

repos activation

O2

O2

O2

: oxyHb = diamagnétique

: deoxyHb = paramagnétique

= T2 court = ↓ signal

↓↓ deoxyHb/oxyHb

⇒ petite ↑ du signal T2*

6


Limites de l’IRMf par effet BOLDLimites de l’IRMf par effet BOLD

• mesure indirecte et multifactorielle de l’activité neuronale,

résultant de l’interaction complexe des variations simultanées de la perfusion, du volume

sanguin cérébral et de la consommation d’oxygène,

dont les contributions relatives sont inconnues (Stefanovic, Neuroimage, 2006; Tuunanen, Neuroimage, 2006)

• sensibilité ++ au signal des veines macroscopiques (Mangia,Brain Res Bull 2004)

⇒ précision spatiale compromise

7

► Quantification absolue des variations du DSC lors de l’activation neuronale

⇒ précision ++ (Ances, Neuroimage, 2008; Obata, Neuroimage, 2004)

► Meilleure localisation spatiale de l’activité neuronale

Notamment par moindre sensibilité à la contamination veineuse

…En comparaison avec l’IRMf BOLD


(Luh MRM 2000, Pfeuffer, MRM, 2002; Jin, Neuroimage, 2008)

► Cinétique de signal plus synchrone de l’activation neuronale

⇒ précision ++ en résolution temporelle (Obata, Neuroimage 2004)

► Meilleure reproductibilité inter et intra-individuelle

(Tjandra Neuroim 2005, Wang MRM 2003, Leontiev Neuroim 2007)

⇒ étude longitudinales et paradigmes basse-fréquence +++

8


Limites de l’ASLfLimites de l’ASLf

Faible rapport signal-sur-bruit des images d’activation

< 1% à 3T (Mildner, MRM 2003) …vs 5% en IRMf BOLD (Bandettini MRM 1992)

⇒ Acquisition longue (répétitions du paradigme pour sommer et moyenner le signal)Acquisition longue (répétitions du paradigme pour sommer et moyenner le signal)

⇒ Nécessité de disposer d’IRM haut champ

⇒ Pas de post-traitement automatisé

9


Application confidentielle en recherche clinique

Exploration des fonctions motrices, visuelles et du langage

Où l’ASLf a montré des activations attendues:

- en aires motrices primaire et supplémentaire (Tjandra, Neuroimage 2005; Wang MRM 2003)

- en régions occipitales (Leontiev, Neuroimage, 2007; Chen, Int J Biomed Imaging, 2008)- en régions occipitales (Leontiev, Neuroimage, 2007; Chen, Int J Biomed Imaging, 2008)

- en aire de Broca (Kemeny HBM 2005)

Exploration des mécanismes:

- d’apprentissage et de mémorisation (Fernandez-Seara, Neuroimage, 2009)

- de régulation du stress (Jahng, Radiology, 2005)

- de réponse à la douleur (Golay, Neuroimaging Clin N Am, 2006)

10

OBJECTIFSOBJECTIFS

Evaluer la faisabilité et la reproductibilité intra-individuelle

de l’Arterial Spin Labeling fonctionnel (ASLf) de l’Arterial Spin Labeling fonctionnel (ASLf)

à 3T avec un modèle de post-traitement dédié

11

MATERIELS ET METHODESMATERIELS ET METHODES

• 12 volontaires sains, droitiers (92,5% selon le « Edinburgh Handedness Inventory »)

Consentement écrit obtenu

7 femmes, 5 hommes, âge moyen 28,6 ans (±2,7)

• Critères d’exclusion :

1. Volontaires sains1. Volontaires sains

• Critères d’exclusion :

pathologie neurologique centrale ou psychiatrique connue

antécédent de chirurgie ou de traumatisme crânien grave

traitement au long cours (excepté contraceptif).

• 3 séances d’IRMf: J0, J7, J14

à heure fixe, sans ingestion de caféîne dans les 3 heures précédentes

12


2. Paradigme d’activation2. Paradigme d’activation

- paradigme moteur en bloc

- avec une tâche motrice de flexion-extension des doigts de la main dominante

- à une fréquence de 1 Hz, en amplitude maximale (Rao, J Cereb Blood Flow Metab, 1996)

⇒ simple, reproductible d’un patient à l’autre

⇒ générant une forte activité cérébrale de perfusion (Ramsey, J Cereb Blood Flow Metab, 1996)

avec une somatotopie robuste des zones d’activation (Sharma, Stroke, 2009; . Stippich, Neurosci Lett, 2002)⇒ avec une somatotopie robuste des zones d’activation (Sharma, Stroke, 2009; . Stippich, Neurosci Lett, 2002)

⇒ tout en limitant les artéfacts (Hoeller, Acta Neurochir, 2002)

300 60 90

Tâche motrice « ON »

1 bloc = 30 s

Repos « OFF » x 7x 7

13


3. Acquisition des données3. Acquisition des données

→ IRM Siemens Verio 3 T

→ antenne tête 32 canaux, facteur d’imagerie parallèle GRAPPA = 2

→ Séquence 3D T1 EG

→ SéquenceSéquence ASLfASLf dede typetype PASLPASL PICOREPICORE QQ22TIPSTIPS (GRE-EPI)→ SéquenceSéquence ASLfASLf dede typetype PASLPASL PICOREPICORE QQ22TIPSTIPS (GRE-EPI)

- TR 3000 ms, TE 18 ms TI1 700ms, TI2 1700 ms

- 8 coupes de 7 mm, acquisition entrelacée, gap 0,7 mm ⇒ volume couvert 60,9 mm

d’épaisseur

- résolution dans le plan de 3x3 mm, FOV 192mm; matrice 64.

- « crushers » (4 cm/s) = larges gradients bipolaires permettant d’ « écraser » le signal des

protons artériels circulants (Ye, Magn Reson Med, 1997; Wong, J Magn Reson Imaging, 2005; Duyn,Magn Reson Med, 2001)

⇒ Réduction des artéfacts liés à la magnétisation intravasculaire dans les gros vaisseaux

- durée: 7 min 20 sec14


3. Acquisition des données3. Acquisition des données

Boite d’acquisition: 8 coupes de 7 mm

15

FWHM 6 mmM C

C

S3

C M C

C

S1

M

S2

M

S4

C

CM

M

S6

M

S5


4. Chaine de post4. Chaine de post--traitement des données d’ASLftraitement des données d’ASLf

4.1. Pré-traitement

Correction du

mouvement

Recalage du 3D T1

Logiciel SPM8 sous Matlab

Lissage spatial

Gaussien

Soustraction par

“interpolation

linéaire”


4. Chaine de post4. Chaine de post--traitement des données d’IRMftraitement des données d’IRMf

4.2. Quantification du débit sanguin cérébral (DSC) en ASLf

différence de signal entre image marquée et contrôle

efficacité du marquage par l’impulsion d’inversion = 1 en PASL (Cavusoglu, Magn Reson Imaging, 2009; Wong, MRM, 1998)

Coeff de partition du sang = 0,9

Wang MRM 2003; Cavusoglu MRI 2009

DSC, en ml/100g/mintemps de relaxation T1 du sang , =1664 ms à 3T (Wang, MRM, 2003; Lu, MRM, 2004)

largeur temporelle du bolusdélai entre la marquage et l’acquisition

magnétisation du tissu à l’équilibre thermique calculé à partir de la moyenne des 10 1ères images contrôles de l’acquisition (Hermes, Magma, 2007; Wang, Magn Reson Imaging, 2008)

17



4.3. Analyse statistique individuelle: de 1er niveau

- Au préalable, recalage rigide des volumes ASLf des 2ème et 3ème sessions sur le volume ASLf de la

1ère session.

- Analyse statistique réalisée selon le modèle linéaire généralisé avec, pour la spécification du

modèle, une convolution du signal selon la réponse fonctionnelle hémodynamique (HRF) canonique.modèle, une convolution du signal selon la réponse fonctionnelle hémodynamique (HRF) canonique.

- seuil statistique p ≤ 0.001 non corrigé (Ho, Neuroimage, 2010; Mildner, MRM, 2003)

- 2nd seuillage par « clustering » : 250mm³ (Forman, Magn Reson Med, 1995), soit 4 voxels contigus

→ limitation des fausses-activations

sans réduction de la sensibilité de détection de l’activation.

- Pour la visualisation des images: interpolation cubique des cartographies statistiques et du 3DT1HR

recalé pour générer des cartographies fonctionnelles haute résolution.

18



4.4. Analyse statistique de groupe : de 2ème niveau

- Normalisation de toutes les cartographies statistiques dans un template commun

- Initialisation de la normalisation dans le MNI ⇒ template « moyen »

- Algorithme DARTEL, non rigide, difféomorphique (Ashburner, Neuroimage 2007)

- seuillage statistique p ≤ 0.001 non corrigé

Template moyen des 12 sujets 19


5. Analyse des cartographies fonctionnelles5. Analyse des cartographies fonctionnelles

- Extraction de paramètres quantitatifs en aire motrice Iaire (ROI1)

et en aire sensitivo-motrice Iaire (ROI2)

- Evaluation visuelle des aires motrices primaires et secondaires : activations et hypoactivations

VVactact Bary (Bary (x,y,zx,y,z))

20

actact

volume d’activationBary (Bary (x,y,zx,y,z))

barycentre de l’activation

DSCDSCactact

variation de DSC liée à l’activation

DSCDSCmoymoy et DSCet DSConon

DSC moyen et en phase d’activation


6. Analyse statistique6. Analyse statistique

6.1. Reproductibilité intra-individuelle de la localisation de l’activation (Vlieger, AJNR, 2003)

RRoverlapoverlap

ratio de recouvrement

DDbarybary

Distance entre les barycentres

logiciel R version 2.7.2 (The R Foundation for Statistical Computing)

21

•• DDbarybary = distance euclidienne entre barycentre des volumes activés

•• RRsizesize = ratio de taille des volumes activés

= 2 (Vmin/ (V1+V2)) où V min est le + petit des 2 volumes.

•• RRoverlapoverlap = ratio de recouvrement des volumes activés

= 2 (Voverlap/ (V1+V2)) où Voverlap est le volume activé dans les 2 sessions

Rsize et Roverlap variaient entre 0 (totalement non reproductible) et 1 (totalement reproductible) (Vlieger,

AJNR, 2003)


6. Analyse statistique6. Analyse statistique

V1 V2

•• CVCV intraintra ((%%)) : coefficient de variation intra-individuel (Tjandra, Neuroimage, 2005)

6.2. Reproductibilité intra-individuelle du DSCDSCact ,act , DSCDSCmoymoy et DSCet DSConon

CVintraCVintra == ((DSintraDSintra//moymoy)) xx 100100

DSintra : déviation standart; Moy: moyenne de la variable pour les 3 sessions

•• ICCICC : index de corrélation intraclasse

22

ICCICC : index de corrélation intraclasse

calculé à partir de l’analyse de variance ANOVA (Petersen, Neuroimage, 2010):

ICCICC == (EQM(EQM iinternter -- EQMEQM iintrantra)) // (EQM(EQM interinter ++ (k(k--11))..EQMEQM intraintra))

EQM inter et intra sont l’erreur quadratique moyenne inter- et intra-individuelle

k est le nombre de sessions (3)

La reproductibilité intra-individuelle est d’autant plus élevée que l’ICC tend vers 1.

Pour la comparaison inter-modalité de chaque paramètre de reproductibilité et de précision spatiale,

un t-test apparié bilatéral a été utilisé, avec un niveau de significativité de 5%.

6.3. Comparaison inter-modalité

RESULTATSRESULTATS

Une activation en aire motrice Iaire gauche a été observée pour les 36 sessions

1. Evaluation visuelle des cartographies d’activation : FAISABILITÉ 1. Evaluation visuelle des cartographies d’activation : FAISABILITÉ

23Cartographies individuelles

RESULTATSRESULTATS

Avec un décours temporel du DSC en aire motrice

Iaire (courbe bleue) en corrélation avec le paradigme

moteur (courbe rouge).

1. Evaluation visuelle des cartographies d’activation : FAISABILITÉ 1. Evaluation visuelle des cartographies d’activation : FAISABILITÉ

A B C

Cartographies perfusionnelles en phase d’activation (A), en phase de repos (B)

et cartographie différentielle (B-A=C) 24

RESULTATSRESULTATS

1. Evaluation visuelle des cartographies d’activation 1. Evaluation visuelle des cartographies d’activation

Des activations en aires motrices IIaires ont également été observées

Cartographies individuelles 25

RESULTATSRESULTATS

100 100 97

72

9286

80

100

120

Sessions (%)


72

8

58

0

20

40

60

AMI G APM G AMS G APA G AMI D APM D AMS D APA D

Aires activées

AMI: aire motrice primaire, APM: aire prémotrice, AMS: aire motrice supplémentaire; APA: aire pariétale associative

D: droite, G: gauche

Cartographies individuelles 26

RESULTATSRESULTATS


Aire pariétale associative ipsilatérale Aire prémotrice ipsilatérale

Cartographies de groupe 27

RESULTATSRESULTATS

2. Reproductibilité intra2. Reproductibilité intra--individuelle de la localisation de l’activationindividuelle de la localisation de l’activation

ROI 1 ROI 2

Vact moy (mm³) (± ds) 3591,3 (± 411,4) 7376,7 (± 862,0)

RRsizesize 0,87 0,87 ((±± 0,12)0,12) 0,86 (± 0,12)RRsizesize 0,87 0,87 0,86

RRoverlapoverlap 0,76 0,76 ((±± 0,12)0,12) 0,68 (± 0,12)

DDbarybary (mm)(mm) 2,1 2,1 ((±± 1,2)1,2) 2,6 (± 1,2)

28

RESULTATSRESULTATS


Session 1Session 1 Session 2Session 2 Session 3Session 3

Sujet AM 29

RESULTATSRESULTATS


ASLf J0-J7-J14: fusion des 3 cartographies statistiques superposées au 3D T1 (sujet OM).

En blanc: volume d’activation commun aux 3 sessions

30

RESULTATSRESULTATS

3. Reproductibilité intra3. Reproductibilité intra--individuelle du individuelle du DSCactDSCact

ROI 1 ROI 2

DSCact

moy (%) (±ds) 58,5 (±7,0) 57,1 (±6,1)

CVintra (%) 12,2 (3,8) 10,7 (±4,6)

ICC 0,74 0,73

DSCmoy

µ (ml/100g/min) 72,7 (±10,3) 61,2 (±8,1)

CVintra (%) 14,3 (±7,5) 13,7 (±6,9)

ICC 0,53 0,57

DSC on

µ (ml/100g/min) 97,6 (±9,3) 83,7 (±7,6)

CVintra (%) 9,7 (±5,9) 9,4 (±6,2)

ICC 0,59 0,5131

73,4 70 7 73,9

98,4 97,4 97,180,0

100,0

80,0

100,0

120,0

ml/100g/min %ml/100g/min %

RESULTATSRESULTATS

3. Reproductibilité intra3. Reproductibilité intra--individuelle du individuelle du DSCactDSCact

70,7

57,5 59,5 58,5

0,0

20,0

40,0

60,0

0,0

20,0

40,0

60,0

session 1 session 2 session 3

DSCmoy DSCon DSCact32

DISCUSSIONDISCUSSION

L’ASLf montrait des activations en aires prémotrice, motrice supplémentaires et

pariétales associatives ipsiatérales au mouvement,

déjà montrées en IRMf BOLD et en TEP

La faisabilité de l’ASLf a été démontrée dans notre étude, avec une activation

observée en aire motrice priaire contrilatéral au mouveent aux 36 sessions d’IRMf et

des activations observé, associées à des activations en aires motrices secondaires.

déjà montrées en IRMf BOLD et en TEP (Stefanovic. Neuroimage 2004; Catalan et al. Brain. 1998 ; Horenstein et al. Hum

Brain Mapp. 2009; Hanakawa et al. J Neurophysiol. 2005; Verstynen et al. J Neurophysiol. 2005)

où elles étaient +fréquentes lors de tâche complexe (Horenstein et al. Hum Brain Mapp. 2009) et de la main

gauche (Verstynen et al. J Neurophysiol. 2005)

Notre étude souligne ainsi la fréquence de l’implication de l’hémisphère ipsilatéral dans la

planification et l’exécution d’une tâche motrice simple par la main dominante, + fréquente en

aire préM qu’en AMS

33


En terme de localisation de l’activation, la reproductibilité intra-individuelle de l’ASLf

était élevée, avec un déplacement des barycentres des volumes activés de 2,1 à 2,6 mm en

moyenne entre les 3 sessions, soit inférieur à la résolution dans le plan de la séquence (3 x

3 mm), et un ratio de recouvrement des volumes activés de 0,76.

L’étude de Vlégier et al (AJNR 2003), réalisée à 1.5T, avait montré que la reproductibilité

intersession de l’IRMf BOLD était nettement inférieure,

avec des valeurs de Rsize, Roverlap et Dbary respectivement de 0,72, 0,36-0,51 et 6,7-13,6 mm,

versus 0,87, 0,76 et 2,1 mm pour l’ASLf dans notre étude

34


En terme de DSC lié à l’activation, nos résultats aux environs de 60% en aire motrice

Iaire concordent avec ceux de la littérature, lesquels varient de 40 à 100% (Mildner et al, MRM

2003; Tjandra et al, Neuroimage 2005).

La reproductibilité intra-individuelle de la quantification de l’activation retrouvée

dans notre étude était supérieure à ce qui a déjà été décrit en ASLf avec paradigme

moteur et visuel à 3T.

Presente étude: Moteur Tjandra et al (2005): Moteur Leontiev et al (2007): Visuel

Sujets / Sessions 12/3 5/3 10/2

Sequence PICORE Q2TIPS 3T PICORE QUIPSSII 3T PICORE QUIPSSII 3T

antenne 32 canaux 8 canaux na

Sact ASLf

moy % (±ds) 57,3 (±5,8) - 59,0 (±6,7) 39,5 (±6,9) - 42,9 (±10,5) 72,9 (±28,8) à 81,5 (±23,8)

CVintra % (±ds) 10,2 (±4,6) - 11,6 (±3,8) 13 (±5) -16 (±5) 9,1 - 21,2

35


•• Faible Résolution Spatiale de l’ASLf Faible Résolution Spatiale de l’ASLf :

⇒⇒ vs vs épaisseur du cortex 3,4 - 4 mm (Truex 1959)

⇒ Reproductibilité de la localisation spatiale sous-estimée ?

•• Volume couvert de l’ASLf limitéVolume couvert de l’ASLf limité

Limites de l’étude

•• Etudes chez le sujet pathologique

ex: MAV → comparaison des performances de l’ASLf et de l’IRMf BOLD (référence)

•• Automatisation du post-traitement

•• Etudes de validation de l’ASLf

- en comparaison avec le BOLD (en cours)

- en comparaison avec la stimulation corticale per-opératoire

Perspectives

36

CONCLUSIONCONCLUSION

L’ASLf à 3T avec une antenne 32 canaux et un post-traitement dédié

détecte et quantifie l’activation motrice

avec une haute reproductibilité intra-individuelle,

suggérant son intérêt pour les études longitudinales.

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