IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale Emilie CHIPON Ecole...

IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale

Emilie CHIPON

Ecole doctorale de Physique

Directeurs de thèse Jan WARNKING et Alexandre KRAINIK

Equipe 5 du GIN « NeuroImagerie Fonctionnelle et Métabolique »

Plan

Contexte et objectifs de l’étude

Développements méthodologiques

Etude de la vasoréactivité cérébrale

Conclusions et perspectives

2

3





Définitions

Perfusion cérébraleApports de glucose et oxygène Elimination de catabolites (CO2, chaleur…)CBF = quantité de sang transitant par une quantité de parenchyme cérébral par unité de tempsCBF 60 ml/100g/min 0,01 s-1

Propriété physiologique dynamiqueModification de l’homéostasie locale et généraleAjustement actif vasomotricité

Intérêts en neurosciences et en médecine

Buxton, An introduction to fMRI 2002 4

5

Activité neuronale

Débit sanguin cérébral

CMRO2Volume sanguin

cérébral

Variations fonctionnelles de la perfusion cérébrale

Couplageneurovasculaire

Signal BOLD

[dHb]

Pression de perfusion

Autorégulation

Vasodilatation

VASO

IRMf BOLDIRMf q BOLD- ASL

ASL

Intérêts de l’étude de la vasoréactivité cérébrale

Permet d’estimer l’intégrité fonctionnelle du système vasomoteur

Médecine Diagnostic ?Caractérisation phénotypiqueVulnérabilité individuellePathologie sténo-occlusive, neuro-oncologie, épilepsie, m. neuro-dégénératives, psychiatrie,…

NeurosciencesCalibration pour l’étude du couplage neurovasculaire : IRMf quantitativeEtude physiopathologique

6


Agents vasomoteursInjection d’acétazolamide ↑ CBF 20-30%Tâche ventilatoire

– Apnée (20s) CBF ↑ jusqu’à 60% – Hyperventilation (1 min) ↓ CBF jusqu’à 25%

Inhalation de gaz– CO2 (5-7%) ↑ CBF 40 – 80%– O2 (100%) ↓ CBF 7 – 31%

Variations physiologiques avec l’âge, le sexe, le nycthémèreVariations pathologiques en pathologie sténo-occlusive, M. Alzheimer, …

7Pfefferkorn 2001, Hamzei 2003, Rostrup 2005, Silvestrini 2006

Objectifs de la thèse


Séquence de mesure de la perfusion cérébrale par marquage des spins artériels (ASL)

Optimisation de la séquence ASL

Mise en place du protocole expérimental pour l’étude de la vasoréactivité cérébrale

8



IRM 3T recherche IFR1



Le marquage des spins artériels Arterial Spin Labeling, ASL

Méthode dynamique et non invasive

Marqueur endogène le proton de l’eau du sang artériel

Méthode différentielle : 2 types d’acquisitions

10

Image de contrôle Image de marquage

Une image pondérée en perfusion

1% de spins marqués- =

Répétition NR ×

Moyenne des 120 différences

120 contrôles 120 marquages- =

11

Quantifier le débit sanguin cérébralLe modèle cinétique de Buxton[1]

Buxton et al,1998

∆t : temps de transit du sang

débit

ROI

marquage

temps

sig

na

l d

e p

erf

us

ion

∆t .... ..

....

TI2∆t + τ

τ : largeur temporelle du marquage

Quantifier des variations de débit sanguin cérébral

12

temps

sig

na

l d

e p

erf

us

ion

débit

ROI

marquage

...

. ..

....

TI2

saturation

TI1

Wong et al, 1998

Saturation : met fin au marquage signal indépendant de τ

∆t

Quantifier une augmentation globale de débit sanguin cérébral

13

temps

sig

na

l d

e p

erf

us

ion

débit

ROI

marquage

∆t ’

...

. ..

....

TI2

saturation

TI1

marquage post-saturation

TI1

TI2

90°

acquisition

90° 180°

Glecture

pré-saturation

RF

Gcoupe

90°

Gphase

Séquence développée : QUIPSS II(1)

(1) Wong et al, 1998 14

contrôle

180°

Optimisations de la séquence QUIPSS II

Sperfusion ≈ 1% du Scontrôle ou Smarquage

SNRperf ≈

Objectifs :

avoir le meilleur SNRc/m

signal « contrôle – marquage » le plus grand

optimiser chaque élément de la séquence 15

NR 2

× q × SNRc/mq : quantité de spins qui participent au signal

Optimisation de l’impulsion de marquage

Objectif : profil de coupe de l’impulsion d’inversion uniforme Pour une durée d’impulsion l’efficacité α du marquage est fonction de l’angle de basculementCompromis : efficacité de marquage énergie RF acceptable

16

Protocole expérimental Inversion sur 7 paquets de 5 coupes Acquisition immédiate Permutation des coupes Répétition du protocole

150° < θ < 174° Ajustement de l’équation sur les

données

M(TI) = M0t (1 - 2α exp ( ))

Isocentre

- TI T1t

ROI

marquage

Résultats

Efficacité > 90% au bord de l’antenne

Bord antenne

Détermination de la zone utile de l’antenne

Homogénéité de B1bonne au centre de l’antennese détériore en s’éloignant du centre

diminution de l’efficacité des impulsions

17

Objectif

Définir la zone de couverture de l’antenne Optimiser la géométrie de la zone

de marquage : 100 mm

Principe Efficacité moyenne de l’impulsion

d’inversion sur 100 mm

Résultats

ROI

marquage

Bord antenne

marquage

Isocentre

Optimisation des impulsions de saturation

Faible efficacité de la saturation Utilisation de plusieurs impulsions à la suite

18

Protocole expérimental

Même protocole que pour l’inversion

2 impulsions de saturation de 10 ms séparées de 25 ms

Répétition du protocole 70° < θ < 90°

Ajustement de l’équation sur les données M(TI) = M0t (1- α exp ( ))

- TI T1t

ROI

saturation

Résultats

Bord antenne

Bonne efficacité + stabilité

Bord antenne

Gap minimum entre la zone de marquage et la ROI

Intérêt du gapLimiter les contaminations RF de l’impulsion de marquage sur la ROI

Inconvénients du gapAugmente le temps de transit Diminue le signal de perfusion par relaxation T1

19

Protocole Séquence QUIPSS II

TI1 = 100 ms pas de Sperfusion

TI2 = 250 ms + TI2 long MO

80 répétitions 0 < gap < 10 mm

Analyse :

ROI

marquage

gapsaturation

(contrôle – marquage)M0

Résultats

Optimisations des délais TI1 et TI2

Variations de perfusionEtat physiologiqueAge

20

∆(∆t) : temps de transit ∆τ : largeur temporelle du marquage

Echantillonner le signal de perfusion à plusieurs TI

déterminer ∆t et τ par ajustement du modèle de Buxton

02M0bf (t-∆t) α exp( )qp(t)

2M0bf τ α exp( ) qp(t)

0 < t < ∆t ∆t < t < τ + ∆t

τ + ∆t < t

∆M(t) =- tT1b

- tT1b

TI1 < τ TI2 > TI1 + ∆t


Protocole expérimental Pas de saturation : mesure de τ350 < 8 TI < 2200 ms120 répétitions à chaque TI

Résultats

21

∆t (ms)

488 ± 130507 ± 124471 ± 108480 ± 75486 ± 15

τ (ms)

1365 ± 751433 ± 461400 ± 681159 ± 871339 ± 123

f (mL/100g/min)

61,2 ± 4,358,2 ± 2,460,6 ± 4,958,2 ± 3,959,4 ± 1,2

Sujet 1Sujet 2Sujet 3Sujet 4

Moyenne ±SD

ROI

marquage


Conditions pour une valeur quantitative de perfusion :

TI1 < τ soit TI1 < 1159 ms

TI2 > TI1 + ∆t soit TI2 > TI1 + 480 ms

Pour des augmentations de 100% de perfusion :TI1 < 580 ms

TI2 > 1040 ms

Choix :TI1 = 550 ms

TI2 = 1250 ms 22

Caractérisation individuelle du bolus : objectif

Durée τ du bolus des spins marqués dépend position du marquagegéométrie vasculairevitesse du sangétat physiologique, âge, …..

Pour chaque sujetIl existe un TI1 optimal qui maximise le SNR

déterminer la durée de bolus des spins marqués choisir le TI1

23

facteurs liés au sujet

Caractérisation du bolus des spins marqués : Matériels et méthodes

Séquence ASL avec acquisition à plusieurs TIUne seule coupe d’intérêtTE=21,6 ms ; TR=2800msNEX=12, Tacq=33 s

12 sujets : 18 à 65 ans

24

marquage100 mm

5 mm

EPI EPI

75 ms 75 ms 75 ms

32×

marquage

pré-sat

2400 ms

EPI

A

P

DG

Ajustement des données avec un modèle de dispersion gaussienne de la fonction d’entrée artérielle

τ1 = 84±33 msτ2 = 730±55 msσ1 = 454±134 msσ2 = 317±45 ms

647±64 ms

Caractérisation du bolus des spins marqués : résultats

25

Etudes de ASL 600 < TI1 < 800 ms 100 mm de marquage

Antérieur Postérieur Gauche DroiteDurée de bolus moyenne (ms)

510 ± 251 860 ± 170 532 ± 127 581 ± 182

Optimisation du protocole expérimental

Gaz utilisés

Modes d’administrationCanules nasales : 6 l/min maximumMasque haute concentration : 8 l/min minimum

Echantillonnage des gaz expirés Appareil Maglife® et canules nasales d’échantillonnagePetCO2, PinspCO2, fréquence respiratoire, pouls

27

CO2 : vasodilatateurO2 : vasoconstricteur

O2

CO2 8 %

21 %

Carbogène Bactal

CO2

O2

N2 71 %

7 %

93 %

Comparaison « canules/masque »

28

AIR AIR AIR

CARBOGENE CARBOGENE

0 2 5 8 11 12 t (min)

2 volontaires sainsSéquence ASL : 2 acquisitions Canules nasales, 6 l/min Masque HC, 12l/min

+ canules d’échantillonnage

Débit limité à 6 l/min Peu encombrant Bien toléré

Débit minimal de 8 l/min Encombrant Plus anxiogène

Objectif : disposer d’un mode d’administration fiable

Comparaison « canules/masque » : résultats

Sujet 1

29

Sujet 2

∆CBF

CBF0

% -18,6 ± 5,2 14,1 ± 3,3 -11,4 ± 1,2 11,7 ± 4,3

∆BOLD

BOLD0

% (2,0 ± 1,2) .10-2 1,50 ± 0,08 1,30 ± 0,02 3,3 ± 0,6

∆PetCO2 = 8 mmHg ∆PetCO2 = 4,8 mmHg

canules masque canules masque

Comparaison « canules/masque » : discussion

30

Meilleur contrôle des ∆CBF Contrôle la PetCO2

Plus encombrant

Peuvent sortir des narines Inhalation uniquement par

les narines Inspiration : dilution du CO2

par de l’air Pas de contrôle de la PetCO2

Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion

Carbogène : mélange O2/CO2

CO2 : vasodilatation 02 : vasoconstrictionGaz très utilisé en cliniquePeu d’études de vasoréactivité avec ce gaz

Objectifs Quelles sont les variations de perfusion sous carbogène à différentes concentrations en CO2 ?

Peut-on utiliser le carbogène pour étudier la vasoréactivité cérébrale ?

31


32t (min)

7% CO2

93% O2

AIR AIR AIR AIR AIR

0 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39

3,5 % CO2

96,5 % O2 0% CO2

100 % O2

1,75 % CO2

98,25 % O2

5,25 % CO2

94,75 % O2

6 sujets sains : 20 à 26 ans Séquence ASL

TI1 = 550 ms, TI2 = 1250 ms 8 coupes, TE = 24 ms, TR= 3000 ms

Masque HC : 12 l/min 5 mélanges dans un ordre aléatoire Echantillonnage des gaz avec le Maglife®

100 mm

5 mm

saturation

marquage


Extraction des cartes de CBF à chaque concentration avec le logiciel SPM

Calcul d’un masque pour sélectionnerDeux ROI avec la boîte à outil WFU PickAtlas [1]

lobes frontal et pariétal

Voxels de matière griseVoxels avec une perfusion significative à l’état basal (p<0,05)

Calcul de

Moyenne de PetCO2 pour chaque concentration

Suppression des données acquises une minute après chaque transition entre deux gaz

33[1] Maldjian et al, 2003

∆CBF

CBF0


34

100% 02 0 % CO2

94.75 % O2 5.25 % C02

98.25 % O2 1.75 % C02

96.5 % O2 3.5 % C02

93 % O2 7 % C02

-18,7 % -5,4 % -1,9 % +9,5 % +24,7 %

AIR

∆CBF

CBF0

35

PARIETALFRONTAL

∆CBF/CBF0 = 20,3 ± 6,3 % ∆PetCO2 = 7,2 ± 3,8 mmHg

∆CBF/CBF0 = -7,5 ± 6,9 % ∆PetCO2 = -1,2 ± 0,7 mmHg

7% CO2

100% O2

CVR =3,5 %/mmHg

∆PetCO2 = 1,9 mmHg

Mise en application

IRM 1,5T clinique Philips

36

Mise en application (1,5T) Clinique : pathologie sténo-occlusive

Pathologie Rétrécissement de la lumière artérielle par athérosclérose

Conséquence Vasodilatation en aval de la sténose par autorégulation Diminution de la réserve vasculaire

Risque Si hypodébit ischémie cérébrale

PréventionTraitement chirurgical

Evaluation de la réserve vasculaire Mesure de la perfusion cérébrale sous air et agent vasomoteur

37Ziyeh 2005, van der Zande 2005, Haller 2008

38

Occlusion

Sténose serrée

Patient 69 ans

Evaluation de la réserve vasculaire Séquence ASL avec caractérisation du bolus Inhalation alternée : air et 8% CO2

Masque HC

Occlusion de l’artère carotide droiteSténose à 80% de l’artère carotide gauche



39

PERFUSION8% CO2

Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie d’Alzheimer

Maladie neurodégénérative : démencePlaques séniles (parenchyme, vaisseaux cérébraux)Dégénérescence neurofibrillaire

Déplétion des neurones cholinergiques Altérations de la BHE

Diminution de la perfusion cérébrale (frontale, pariétale,…)Altérations de la vasoréactivité

40Oishi 1999, Johnson 2005, Silvestrini 2006


Objectifs de l’étude :Préciser l’existence et la topographie des altérations de la

vasoréactivité Sujets atteints de la maladie d’Alzheimer débutanteSujets à risque (trouble cognitif léger amnésique)Sujets sains

Protocole Séquence ASL avec caractérisation de la durée de bolusInhalation de 8% CO2 et d’air, périodes de 2 minutes

Masque HC

41

Résultats 14 sujets : 2 abandons, 1 mouvement de la tête

42


A1 A2 A3 moyenne±SD

70,4 ± 6,1 21,5 ±2,4 32,5 ±2,6 41,5 ± 25,6

C1 C2 C3 C4 moyenne±SD

T1 T2 T3 T4 moyenne±SD

31,9 ± 2,4 20,7 ± 2 63 ± 4,8 53,6 ± 1,6 42,3 ± 19,4

51,2 ± 1,6 53,5 ± 5,3 42,8 ± 2,4 46,1 ± 1,7 48,4 ± 4,8∆CBF

CBF0

%

∆CBF

CBF0

%

∆CBF

CBF0

%

Résultats préliminaires Optimisations : corrections des effets de volume partiel

Contrôle

Alzheimer

A risque

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Conclusion

Implémentation et optimisation d’une séquence de perfusion par marquage des spins artériels

Développement d’une méthode originale de caractérisation du bolus de sang marqué

Mise au point du protocole expérimental de l’imagerie de la vasoréactivité cérébrale (protocole, analyse des données)

Caractérisation des variations de perfusion sous carbogène

Mise en application : premiers résultats encourageants

Perspectives

Acquisition des imagesValider la caractérisation de la durée de bolus

Augmentation du SNR : passage de 1,5T à 3T clinique

Stimulus

Meilleur contrôle de l’administration des gaz : automatisation

Analyse des données

Prise en compte de l’atrophie cérébrale : correction des effets de volume partiel

Intégration de la dynamique de la PetCO2 dans l’analyse

45

Merci de votre attention

46

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