Nouvelles séquences IRM à TE ultra-court pour l’analyse

structurelle et quantitative de structurelle et quantitative de ménisques de cadavres.

Patrick Omoumi1,2, Jiang Du1, Won Bae1, Sheronda Statum1, Dick Znamirowski1, Darryl D’Lima4, Graeme Bydder1,

Christine Chung1,3

1 – University of California, San Diego Department of Radiology2 – CHU de Tours, Imagerie médicale3 – VA Healthcare System, San Diego

4 – Shiley Clinical Orthopedic Research and Education (SCORE)Travail réalisé avec la participation de la SFR (bourse de recherche attribuée à P.Omoumi)

Concepts récents en imagerie musculosquelettique1/Evaluation morphologique vs. biochimique

• L’imagerie musculo-squelettique reste principalement basée sur une analyse morphologique des structures, à l’échelle macroscopique. Pour prendre l’exemple du cartilage, la sensibilité de l’IRM et du scanner pour la détection des lésions cartilagineuses n’est bonne que pour les grades la détection des lésions cartilagineuses n’est bonne que pour les grades élevés, correspondant à des pertes de substance cartilagineuses.

• Les efforts de recherche récents s’orientent vers une cible biochimique, afin de détecter la pathologie au stade microscopique, potentiellement réversible. Pour reprendre l’exemple du cartilage, il s’agit du T2 mapping permettant d’évaluer le collagène, et du T1rho et du dGEMRIC permettant d’évaluer les glycosaminoglycanes (GAG).

Imagerie morphologique Imagerie biochimique

Schéma de l’architecture cartilagineuse. Jaune: collagène, orange: GAG

Concepts récents en imagerie musculosquelettique2/Prise en compte des propriétés tissulaires: tissus à

T2 court: séquences à TE courts

• Les séquences d’IRM ont classiquement été • Les séquences d’IRM ont classiquement été développées pour le tissu cérébral. Or, les propriétés des tissus musculo-squelettiques sont très différentes de celles du tissu cérébral. Tendons, ligaments, ménisques, et os apparaissent donc vides de signal sur les séquences conventionnelles (du fait de leur T2 très court).très court).

• Une approche prenant en compte ces propriétés tissulaires a permis le développement de séquences à TE court, permettant de visualiser les tissus du système musculo-squelettique.

Concepts récents en imagerie musculosquelettique2/Prise en compte des propriétés tissulaires: tissus à

T2 court: séquences à TE courts

Couche calcifiée du cartilage articulaire sur

une séquence en densité de proton, apparaissant en

hyposignal

Coupe correspondante en séquences UTE (ultra short TE): la couche calcifée du

cartilage est en hypersignal

T1UTE

Concepts récents en imagerie musculosquelettique2/Prise en compte des propriétés tissulaires: tissus à

T2 court: séquences à TE courts

Tendon d’Achille

T1

T1 UTE

Os cortical

Concepts récents en imagerie musculosquelettique3/Ne pas limiter l’arthrose à une maladie du cartilage

Rôle du ménisque dans la pathologie dégénérative du genougenou

Lésion méniscale aiguë 6 mois après méniscectomie

Roemer et al., Tibiofemoral Joint Osteoarthritis: Risk Factors for MR-depicted Fast Cartilage Loss over a 30-month Period in the Multicenter Osteoarthritis Study. Radiology 2009

L’atteinte méniscale à l’IRM est un facteur prédictif important d’une perte cartilagineuse rapide (30 mois)

Structure méniscale• Fonction du ménisque: transmettre et distribuer les

forces entre le fémur et le tibia. forces entre le fémur et le tibia.

• Structure méniscale: complexe, variations régionales

• 2 zones: zone rouge vascularisée, white zone blanche avasculaire

• 2 types de tissues: fibrocartilagineux/ fibreux

• 2 composants principaux de la matrice: collagène et GAG

• 2 types de collagène (I et II), dont la distribution varie

• 4 types d’orientation des fibres de collagène.

zone rouge / zone blanche

Hauger, O. et al., 2000. Characterization of the "red zone" of knee meniscus: MR imaging and histologic correlation. Radiology, 217(1), 193-200.

2 principales composantes de la MEC: Collagène et GAG

• Collagène I+++ (portion fibreuse)

• Collagène II (cartilage hyalin, portion

* *

K Messner et J Gao, “The menisci of the knee joint. Anatomical and functional characteristics, and a rationale for clinical treatment,” Journal of Anatomy 193 (1998): 161-178.

(cartilage hyalin, portion fibrocartilagineuse)

2 principales composantes de la MEC: Collagène et GAG

2%

8%

2%

K Messner et J Gao, “The menisci of the knee joint. Anatomical and functional characteristics, and a rationale for clinical treatment,” Journal of Anatomy 193 (1998): 161-178.

Les GAG sont distribuées de manière non uniforme au sein du ménisque.

Lamella Radiaires Circonférencielles

4 types d’orientation des fibres de collagène

Peterson W, Tillmann B, Collagenous fibril texture of the human knee joint menisci,Anat Embroyol 1998, 197: 317-324

Bullough PG, Menuera L, Murphy J, Weinstein A, The Strength of the Menisci of the knee as it relates to their fine structure, Journal of Bone and Joint Surgery, 52 B, 1970 564-570

Challenge:

•

Imagerie quantitative du ménisque

• T2 du ménisque court (4~8 ms), difficile à obtenir avec les séquences classiques

• D’où l’intérêt des séquences UTE•

Imagerie à TE ultra-court (UTE)

Rend

• Invisible = les composants à T2

Rend l’invisibleVisible

• Invisible = les composants à T2 court des tissues

• Couche calcifiée du cartilage articulaire

• Ménisques

• Périoste

Bases des séquences UTE

Transverse Magnetization Decay

Magnétisation totale

Composants à T2 longs

L’acquisition se fait à quelques microsec, alors que le signal des tissues à T2 court n’a pas encore disparu, par rapport à quelques millisec pour les séquences ocnventionnelles.

T2 longs

Composants à T2 courts

TempsMicrosec Millisec

Robson, et al., J Comput Assist Tomogr 2003; 27(6): 825-846

Half RF pulse

TE = 8 µs

Chronogramme d’une séquence UTE

RF

Gx

Gz

Half RF pulse

NEX = 2

Astuces permettant d’accélerer l’acquisition:

•Demi-pulse de RF•Echantillonnage de la rampe (ramp sampling)

Gx

Gy

sampling)•Acquisition radiale

Illustration: SE et EG / TE variable

SE, TE=45 SE, TE=30 SE, TE=15

EG, TE=12EG, TE=16 EG, TE=8

Le signal au sein des structures intraméniscales augmente à mesure que l’on diminue le TE

(en ms)

Les séquences UTE permettent

UTE / varying TE

UTE permettent de réduire le TE

davantage encore.

TE=6 TE=3TE=12

TE=0.4TE=1.2 TE=0.8 TE=0.012ms

UTE / varying TE

TE=12 ms TE=0.012ms

Il est ainsi possible de choisir le TE permettant d’obtenir le signal et le contraste optimum pour le tissu étudié.

TE=3TE=3

Rappels sur les valeurs T2 et T1rho

• Principalement étudiés pour le cartilage.• T2: surtout influencé par la concentration et l’organisation des

fibres de collagène.fibres de collagène.• T1rho dépend de la concentration des glycosaminoglycanes

(GAG). Pas de consensus quant à l’effet du collagène sur le T1rho.

• Ces mesures quantitatives permettent donc d’accéder aux phases précoces de la pathologie dégénérative, au stade où seules les modifications biochimiques sont décelables.

• Ces techniques de quantification ont été plus récemment • Ces techniques de quantification ont été plus récemment appliquées au ménisque. Cependant, malgré des similarités, la concentration et l’organisation de ces composants sont différentes pour le ménisque.

Rauscher I, et al., Radiology 2008; 249:591-600.P-H Tsai et al., Osteoarthritis a nd Cartilage, 2009Wheaton AJ, et al., J Magn Reson Imaging 2004Li XJ, et al., Osteoarthritis Cartilage 2007; 15:789-797

Objectif

• Montrer l’intérêt de nouvelles • Montrer l’intérêt de nouvelles séquences IRM à TE ultra-court (UTE) pour l’analyse structurelle et quantitative (T1rho et T2) des ménisques grâce à une étude cadavérique.

Materiel et Méthodes

• 10 genoux de cadavres (4H, 6F, âge moyen au décès: 80 ans)

• Protocole d’imagerie:• Protocole d’imagerie:

• IRM clinique 3T, antenne genou en quadrature

• Coupes sagittales de 3 mm d’épaisseur

• Séquences morphologiques:

• Séquences cliniques: PD FS, T1-w•• Séquences UTE

• Séquences quantitatives:

• UTE T1 rho, 2D T1 rho

• UTE T2 prep, T2 SE

Materiel et MéthodesParamètres des séquences IRM

90°x -90°x

Spin Lockingycrusher

UTET1 rho

90°x -90°x

crusherUTE T2

180°y

T2prep

UTEDIR Prep

DIR PrepUTE

TSL

DIR Prep

Les séquences UTE ont été combinées à différentes méthodes de préparation afin d’obtenir des techniques de mesures des T2 (UTE T2) et de T1rho (UTE T1rho) qui prennent en compte les composantes à T2 ultra-courts du tissu méniscal. Ces séquences ont été comparées aux séquences quantitatives conventionnelles

Materiel et MéthodesParamètres des séquences IRM

Seq TR TE TI NEX MatrixSlice

Thickness

Gap FOV Zoom ETL F/S Flip B/W Time

PD FS 2500 34 N/A 2512X51

23 0 12 Zoom 7 CL 90 63 6:15

UTE FS

500 .012 / 5 N/A 2512X51

13 0 12 Zoom N/A FS 45 63 8:33

UTE NFS

500 .012 / 5 N/A 2512X51

13 0 12 Zoom N/A No 45 63 8:33

T2 SE MAP

2000

8, 16, 24, 32, 40, 48, 56, 64

N/A 2320X25

63 0 12 Zoom N/A No 90 42 17:00

PREP TIME; UTE T2

PREP500 0,012 N/A 2

512X455

3 N/A 12 Zoom N/A FS 45 63 7:37TIME; 0.6, 3.8, 16, 32, 50

UTE T1p

PREP500 0,012 N/A 2

512X455

3 N/A 12 Zoom N/A FS 45 63 7:37

PREP TIME; 0.04, 3.8, 16, 32, 50

2D T1p 1500 5,7 N/A 21024X6

43 0 12 Zoom N/A FS 90 125 20:21

TSL: 0, 10, 20, 40, 60, 80

Materiel et Méthodes

• Sections de 3 mm d’épaisseur dans le même plan sagittal qu’à l’imagerie

• Corrélation entre les modifications macroscopiques sur les coupes anatomiques, les séquences IRM cliniques (T1, PD fat sat) et séquences UTE.

ResultatsValeurs de T2

Normal Dégénératif

T2 SE 10.13 16.2 p<0.05

UTE T2 6.2 10.3 p<0.05

p<0.05 p=0.060

5

10

15

20

25

T2 SEUTE T2

p<0.05 p=0.06

Test t de Student sur séries appariées

0

Normal Dégénératif

ResultatsValeurs de T2

Normal Dégénératif

T2 SE 10.13 16.2 p<0.05

UTE T2 6.2 10.3 p<0.05

p<0.05 p=0.060

5

10

15

20

25

T2 SEUTE T2

Pour les ménisques normaux, les valeurs de T2 obtenues avec les techniques UTE sont significativement plus faibles, ce qui s’explique par la prise en compte des composantes à T2 court avec ces techniques.

p<0.05 p=0.06

Test t de Student sur séries appariées

0

Normal Dégénératif

ResultatsValeurs de T2

Normal Dégénératif

T2 SE 10.13 16.2 p<0.05

UTE T2 6.2 10.3 p<0.05

p<0.05 p=0.060

5

10

15

20

25

T2 SEUTE T2

Pour les ménisques dégénératifs, les valeurs de T2 obtenues avec les techniques UTE et les techniques conventionnelles ne sont pas significativement différentes. Ceci peut s’expliquer par l’augmentation des composantes à T2 longs au sein de ces ménisques dégénératifs, qui domine sur l’effet des composantes à T2 courts.

p<0.05 p=0.06

Test t de Student sur séries appariées

0

Normal Dégénératif

ResultatsValeurs de T2

Normal Dégénératif

T2 SE 10.13 16.2 p<0.05

UTE T2 6.2 10.3 p<0.05

p<0.05 p=0.060

5

10

15

20

25

T2 SEUTE T2

Les valeurs de T2 obtenues avec les deux techniques sont significativement plus élevées pour les ménisques dégénératifs par rapport aux ménisques normaux. Ceci s’explique par l’augmentation des composantes à T2 longs dans la pathologie dégénérative.

p<0.05 p=0.06

Test t de Student sur séries appariées

0

Normal Dégénératif

ResultatsValeurs de T1rho

Normal Dégénératif

2D T1 rho

18 24.7 p<0.05

UTE T1 rho

16.3 17 p=0.14

p<0.05 p<0.050

5

10

15

20

25

30

35

40

2DT1rho

UTE T1rho

p<0.05 p<0.05

Test t de Student sur séries appariées

0

Normal Dégénératif

ResultatsValeurs de T1rho

Normal Dégénératif

2D T1 rho

18 24.7 p<0.05

UTE T1 rho

16.3 17 p=0.14

p<0.05 p<0.050

5

10

15

20

25

30

35

40

2DT1rho

UTE T1rho

Pour les ménisques normaux, les valeurs de T1rho obtenues avec les techniques UTE sont significativement plus faibles, ce qui s’explique par la prise en compte des composantes à T2 court avec ces techniques.

p<0.05 p<0.05

Test t de Student sur séries appariées

0

Normal Dégénératif

ResultatsValeurs de T1rho

Normal Dégénératif

2D T1 rho

18 24.7 p<0.05

UTE T1 rho

16.3 17 p=0.14

p<0.05 p<0.050

5

10

15

20

25

30

35

40

2DT1rho

UTE T1rho

Les valeurs de T1rho obtenues avec les techniques conventionnelles sont significativement plus élevées pour les ménisques dégénératifs. Ceci pourrait s’expliquer par la diminution des GAG dans la pathologie dégérative.

p<0.05 p<0.05

Test t de Student sur séries appariées

0

Normal Dégénératif

ResultatsValeurs de T1rho

Normal Dégénératif

2D T1 rho

18 24.7 p<0.05

UTE T1 rho

16.3 17 p=0.14

p<0.05 p<0.050

5

10

15

20

25

30

35

40

2DT1rho

UTE T1rho

Contrairement à ce qui était attendu, les valeurs de T1rho obtenues avec les techniques UTE ne sont pas significativement différentes entre les ménisques normaux et dégénératifs.

p<0.05 p<0.05

Test t de Student sur séries appariées

0

Normal Dégénératif

Resultats: résumé• Les techniques UTE permettent une évaluation du T2 et

du T1rho en prenant en compte les composants à T2 courts du ménisque.courts du ménisque.

• Les techniques de mesure du T2 ont permis une différenciation entre ménisque dégénératif et ménisque normal.

• Seules les techniques conventionnelles de mesure de T1rho ont permis une différenciation entre ménisque dégénératif et ménisque normal. Les techniques de mesure du T1rho prenant en compte les composants à T2 dégénératif et ménisque normal. Les techniques de mesure du T1rho prenant en compte les composants à T2 courts n’ont pas permis cette différentiation.

• Les facteurs permettant d’expliquer les valeurs de T1rho ne sont pas bien compris et d’autres études sont nécessaires pour les expliquer.

Conclusion

• La réalisation des séquences UTE est possible pour l’analyse morphologique et quantitative des l’analyse morphologique et quantitative des ménisques.

• Les séquences UTE ont un intérêt pour l’analyse biochimique non invasive des tissus à T2 courts tels que les ménisques.

• Les étapes ultérieures de cette étude vont • Les étapes ultérieures de cette étude vont comprendre une corrélation des techniques de quantification UTE avec des données biochimiques (méthodes de digestion enzymatiques) et biomécaniques, notamment pour expliquer les valeurs de T1rho.