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IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale

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

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IRM fonctionnelle quantitative appliquée à la vasoréactivité cérébrale

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  1. 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 »

  2. Plan • Contexte et objectifs de l’étude • Développements méthodologiques • Etude de la vasoréactivité cérébrale • Conclusions et perspectives

  3. Contexte et objectifs de l’étude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

  4. Définitions • Perfusion cérébrale • Apports de glucose et oxygène • Elimination de catabolites (CO2, chaleur…) • CBF = quantité de sang transitant par une quantité de parenchyme cérébral par unité de temps • CBF  60 ml/100g/min  0,01 s-1 • Propriété physiologique dynamique • Modification de l’homéostasie locale et générale • Ajustement actif  vasomotricité • Intérêts en neurosciences et en médecine Buxton, An introduction to fMRI 2002

  5. Variations fonctionnelles de la perfusion cérébrale Gaz circulants CO2 O2 Activité neuronale Pression de perfusion Vasoréactivité Couplage neurovasculaire Autorégulation Vasodilatation IRMf q BOLD- ASL ASL VASO Volume sanguin cérébral CMRO2 Débit sanguin cérébral [dHb] IRMf BOLD Signal BOLD

  6. Intérêts de l’étude de la vasoréactivité cérébrale Permet d’estimer l’intégrité fonctionnelle du système vasomoteur • Médecine  Diagnostic ? • Caractérisation phénotypique • Vulnérabilité individuelle • Pathologie sténo-occlusive, neuro-oncologie, épilepsie, m. neuro-dégénératives, psychiatrie,… • Neurosciences • Calibration pour l’étude du couplage neurovasculaire : IRMf quantitative • Etude physiopathologique

  7. Etude de la vasoréactivité cérébrale • Agents vasomoteurs • Injection 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 nycthémère • Variations pathologiques en pathologie sténo-occlusive, M. Alzheimer, … Pfefferkorn 2001, Hamzei 2003, Rostrup 2005, Silvestrini 2006

  8. Objectifs de la thèse • Développements méthodologiques • 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

  9. Contexte et objectifs de l’étude Développements méthodologiques IRM 3T recherche IFR1 Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

  10. Image de contrôle Image de marquage 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 Une image pondérée en perfusion 1% de spins marqués - = - Moyenne des 120 différences = 120contrôles 120marquages Répétition NR ×

  11. . . . . . . . . . . signal de perfusion temps Quantifier le débit sanguin cérébralLe modèle cinétique de Buxton[1] ∆t : temps de transit du sang τ : largeur temporelle du marquage ROI ∆t + τ ∆t TI2 marquage débit Buxton et al,1998‏

  12. . . . . . . . . . . signal de perfusion temps Quantifier des variations de débit sanguin cérébral Saturation : met fin au marquage  signal indépendant de τ TI1 TI2 ∆t ROI marquage saturation débit Wong et al, 1998‏

  13. . . . . . . . . . . signal de perfusion temps Quantifier une augmentation globale de débit sanguin cérébral TI1 TI2 ∆t ’ ROI saturation marquage débit

  14. acquisition RF 180° 180° 90° 90° 90° Gcoupe Gphase Séquence développée : QUIPSS II(1) marquage contrôle post-saturation pré-saturation TI1 TI2 Glecture (1) Wong et al, 1998

  15. 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 NR 2 × q × SNRc/m q : quantité de spins qui participent au signal

  16. Optimisation de l’impulsion de marquage ROI • 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 basculement • Compromis : efficacité de marquage énergie RF acceptable • 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 - 2αexp ( )) Résultats Isocentre Bord antenne marquage - TI T1t Efficacité > 90% au bord de l’antenne

  17. Détermination de la zone utile de l’antenne ROI • Homogénéité de B1 • bonne au centre de l’antenne • se détériore en s’éloignant du centre  diminution de l’efficacité des impulsions • 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 Bord antenne marquage marquage Isocentre

  18. Optimisation des impulsions de saturation ROI • Faible efficacité de la saturation  Utilisation de plusieurs impulsions à la suite Résultats • 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- αexp ( )) Bord antenne Bord antenne saturation - TI T1t Bonne efficacité + stabilité

  19. Gap minimum entre la zone de marquage et la ROI • Intérêt du gap Limiter les contaminations RF de l’impulsion de marquage sur la ROI • Inconvénients du gap Augmente le temps de transit Diminue le signal de perfusion par relaxation T1 ROI gap saturation marquage • Protocole • Séquence QUIPSS II • TI1 = 100 ms  pas de Sperfusion • TI2 = 250 ms + TI2 long  MO • 80 répétitions • 0 < gap < 10 mm • Analyse : Résultats (contrôle – marquage) M0

  20. Optimisations des délais TI1 et TI2 • TI1 < τ • TI2 > TI1 + ∆t Variations de perfusion Etat physiologique Age ∆(∆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 0 2M0bf (t-∆t) αexp( )qp(t) 2M0bf ταexp( ) qp(t) 0 < t < ∆t ∆t < t < τ + ∆t τ + ∆t < t ∆M(t) = - t T1b - t T1b

  21. Optimisations des délais TI1 et TI2 ROI • Protocole expérimental • Pas de saturation : mesure de τ • 350 < 8 TI < 2200 ms • 120 répétitions à chaque TI • Résultats τ (ms) 1365 ± 75 1433 ± 46 1400 ± 68 1159 ± 87 1339 ± 123 Sujet 1 Sujet 2 Sujet 3 Sujet 4 Moyenne ±SD ∆t (ms) 488 ± 130 507 ± 124 471 ± 108 480 ± 75 486 ± 15 f (mL/100g/min) 61,2 ± 4,3 58,2 ± 2,4 60,6 ± 4,9 58,2 ± 3,9 59,4 ± 1,2 marquage

  22. Optimisations des délais TI1 et TI2 • 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

  23. Caractérisation individuelle du bolus : objectif • Durée τ du bolus des spins marqués dépend • position du marquage • géométrie vasculaire • vitesse du sang • état physiologique, âge, ….. • Pour chaque sujet • Il existe un TI1 optimal qui maximise le SNR  déterminer la durée de bolus des spins marqués  choisir le TI1 facteurs liés au sujet

  24. Caractérisation du bolus des spins marqués :Matériels et méthodes • Séquence ASL avec acquisition à plusieurs TI • Une seule coupe d’intérêt • TE=21,6 ms ; TR=2800ms • NEX=12, Tacq=33 s • 12 sujets : 18 à 65 ans A 5 mm τ1 = 84±33 ms τ2 = 730±55 ms σ1 = 454±134 ms σ2 = 317±45 ms EPI 100 mm D marquage G marquage pré-sat 32× EPI EPI 75 ms 75 ms 75 ms P 2400 ms • Ajustement des données avec un modèle de dispersion gaussienne de la fonction d’entrée artérielle 647±64 ms

  25. Caractérisation du bolus des spins marqués : résultats Antérieur Postérieur Gauche Droite Durée de bolus moyenne (ms) 510 ± 251 860 ± 170 532 ± 127 581 ± 182 • Etudes de ASL • 600 < TI1 < 800 ms • 100 mm de marquage

  26. Contexte et objectifs de l’étude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

  27. Optimisation du protocole expérimental • Gaz utilisés • Modes d’administration • Canules nasales : 6 l/min maximum • Masque haute concentration : 8 l/min minimum • Echantillonnage des gaz expirés • Appareil Maglife® et canules nasales d’échantillonnage • PetCO2, PinspCO2, fréquence respiratoire, pouls CO2 CO2 : vasodilatateur O2 : vasoconstricteur 7 % 8 % 21 % O2 CO2 93 % N2 71 % O2 Carbogène Bactal

  28. Comparaison « canules/masque » • Débit limité à 6 l/min • Peu encombrant • Bien toléré • Débit minimal de 8 l/min • Encombrant • Plus anxiogène CARBOGENE CARBOGENE AIR AIR AIR Objectif : disposer d’un mode d’administration fiable 0 2 5 8 11 12 t (min) • 2 volontaires sains • Séquence ASL : 2 acquisitions • Canules nasales, 6 l/min • Masque HC, 12l/min • + canules d’échantillonnage

  29. Comparaison « canules/masque » : résultats Sujet 2 canules masque canules masque Sujet 1 % 1,50 ± 0,08 1,30 ± 0,02 3,3 ± 0,6 (2,0± 1,2) .10-2 ∆CBF CBF0 ∆BOLD BOLD0 % -18,6 ± 5,2 14,1 ± 3,3 -11,4 ± 1,2 11,7 ± 4,3 ∆PetCO2 = 4,8 mmHg ∆PetCO2 = 8 mmHg

  30. Comparaison « canules/masque » : discussion • Peuvent sortir des narines • Inhalation uniquement par les narines • Inspiration : dilution du CO2 par de l’air • Pas de contrôle de la PetCO2 • Meilleur contrôle des ∆CBF • Contrôle la PetCO2 • Plus encombrant

  31. Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion • Carbogène : mélange O2/CO2 CO2 : vasodilatation 02 : vasoconstriction • Gaz très utilisé en clinique • Peu 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 ?

  32. Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion 5,25 % CO2 94,75 % O2 3,5 % CO2 96,5 % O2 1,75 % CO2 98,25 % O2 0% CO2 100 % 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® 7% CO2 93% O2 AIR AIR AIR AIR AIR marquage saturation 0 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 5 mm 100 mm t (min)

  33. Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion • Extraction des cartes de CBF à chaque concentration avec le logiciel SPM • Calcul d’un masque pour sélectionner • Deux ROI avec la boîte à outil WFU PickAtlas [1] lobes frontal et pariétal • Voxels de matière grise • Voxels 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 ∆CBF CBF0 [1] Maldjian et al, 2003

  34. Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion AIR -18,7 % -5,4 % -1,9 % +9,5 % +24,7 % ∆CBF CBF0 100% 02 0 % CO2 98.25 % O2 1.75 % C02 96.5 % O2 3.5 % C02 94.75 % O2 5.25 % C02 93 % O2 7 % C02

  35. Etude de l’effet de l’inhalation du carbogène sur le signal de perfusion ∆CBF/CBF0 = 20,3 ± 6,3 % ∆PetCO2 = 7,2 ± 3,8 mmHg FRONTAL PARIETAL 7% CO2 CVR =3,5 %/mmHg ∆CBF/CBF0 = -7,5 ± 6,9 % ∆PetCO2 = -1,2 ± 0,7 mmHg 100% O2 ∆PetCO2 = 1,9 mmHg

  36. Mise en application IRM 1,5T clinique Philips

  37. 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 Prévention • Traitement chirurgical •  Evaluation de la réserve vasculaire • Mesure de la perfusion cérébrale sous air et agent vasomoteur Ziyeh 2005‏, van der Zande 2005, Haller 2008

  38. Mise en application (1,5T) Clinique : pathologie sténo-occlusive Patient 69 ans Occlusion de l’artère carotide droite Sténose à 80% de l’artère carotide gauche Sténose serrée • Evaluation de la réserve vasculaire • Séquence ASL avec caractérisation du bolus • Inhalation alternée : air et 8% CO2 • Masque HC Occlusion

  39. Mise en application (1,5T) Clinique : pathologie sténo-occlusive PERFUSION 8% CO2

  40. Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie d’Alzheimer • Maladie neurodégénérative : démence • Plaques 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 Oishi 1999, Johnson 2005, Silvestrini 2006‏

  41. Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie d’Alzheimer • Objectifs de l’étude : Préciser l’existence et la topographie des altérations de la vasoréactivité • Sujets atteints de la maladie d’Alzheimer débutante • Sujets à risque (trouble cognitif léger amnésique) • Sujets sains • Protocole • Séquence ASL avec caractérisation de la durée de bolus • Inhalation de 8% CO2 et d’air, périodes de 2 minutes • Masque HC

  42. Mise en application (1,5T) Recherche : la maladie d’Alzheimer Résultats • 14 sujets : 2 abandons, 1 mouvement de la tête Contrôle C1 C2 C3 C4 moyenne±SD 31,9 ± 2,4 20,7 ± 2 63 ± 4,8 53,6 ± 1,6 42,3 ± 19,4 % Alzheimer A1 A2 A3 moyenne±SD 21,5 ±2,4 70,4 ± 6,1 32,5 ±2,6 41,5 ± 25,6 ∆CBF CBF0 ∆CBF CBF0 ∆CBF CBF0 % T1 T2 T3 T4 moyenne±SD A risque 51,2 ± 1,6 53,5 ± 5,3 42,8 ± 2,4 46,1 ± 1,7 48,4 ± 4,8 % • Résultats préliminaires • Optimisations : corrections des effets de volume partiel

  43. Contexte et objectifs de l’étude Développements méthodologiques Etude de la vasoréactivité cérébrale Conclusions et perspectives

  44. 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

  45. Perspectives • Acquisition des images • Valider 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

  46. Merci de votre attention

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