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Spectroscopie du foie par Résonance Magnétique Nucléaire

Etat des lieux Technique Résultats Perspectives. SIAD Journée printemps 2009. Spectroscopie du foie par Résonance Magnétique Nucléaire. Sophie Cavassila 1 , Hélène Ratiney 1 et Hervé Saint-Jalmes 2 1 Creatis-LRMN, Université de Lyon, 2 LTSI, Université Rennes 1

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Spectroscopie du foie par Résonance Magnétique Nucléaire

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Presentation Transcript

  1. Etat des lieux • Technique • Résultats • Perspectives SIAD Journée printemps 2009 Spectroscopie du foie par Résonance Magnétique Nucléaire Sophie Cavassila1, Hélène Ratiney1 et Hervé Saint-Jalmes2 1 Creatis-LRMN, Université de Lyon, 2 LTSI, Université Rennes 1 herve.saint-jalmes@univ-rennes1.fr 2009/V3

  2. 2 Foie : nombreuses pathologies dont la détection précoces permettrait une meilleure prise en charge des patients. État des lieux Parmi les méthodes d’investigation : la spectroscopie par RMN localisée (SRM) Quelles informations potentielles peut apporter cette méthode et pour quelles pathologies ? Quelles sont les techniques accessibles et leurs limites ?

  3. 3 Illustration : spectroscopie localisée 1H du cerveau État des lieux Cerveau : ~ immobile très peu de lipides, dans une antenne très optimisée (16+ canaux) …

  4. 4 Les outils spectroscopiques : Proton (1H) marqueurs métaboliques (choline, lipides, …) limite les biopsies. Phosphore (31P) Mesure du métabolisme énergétique. FOIE: Pathologies: Stéatose Cirrhose Tumeurs hépatiques … État des lieux Ceci en complément des méthodes d’imagerie MAIS ...

  5. 5 MAIS : La RMN est une méthode peu sensible La quantification des métabolites est très difficile L’évolution des métabolites en fonction des pathologies reste un objet de recherches… et le foie est un organe en mouvement ! Donc compromis à trouver entre : Complexité technique et robustesse, fiabilité. Signal/bruit, résolution spatiale et durée d’examen. État des lieux

  6. Résonance Magnétique Nucléaire Propriété du noyau : nombre impair de protons et/ou neutrons spin nucléaire Technique : principe Exemple :1H, 3He, 13C, 31P, 19F ont un spin I= ½ m =g h I Constante de Planck Rapport gyromagnétique Courant dipôle magnétique h = 6,62 10-34 J s

  7. Résonance Magnétique Nucléaire Fréquence de Larmor Technique : principe B0 Rapport gyromagnétique wl = 2 p F = g B0 (équation de Larmor) F0 M0 Exemple du proton à 1 tesla : F =wl/2p = 42,5 MHz Phosphore à 1 tesla : F =wl/2p = 17 MHz

  8. 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 [ppm] : spectre proton 1H Spectroscopie haute résolution Tube B1 Technique : principe t 5 mm 500 µL Aimant RMN 11,7 T = 500 MHz pour 1H f 10 ppm ( 5000 Hz @ 500 MHz)

  9. 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 [ppm] Technique : principe, spectrométrie RMN Pourquoi tous les protons ne résonnent-ils pas exactement à la même fréquence ? Deux origines : Décalage chimique Couplage scalaire f1 f2 …

  10. Technique : principe, spectrométrie RMN Décalage chimique d B0 b0 B0 Le noyau observé (proton par exemple) ne « voit » pas un champ B0, mais un champ plus faible car la rotation du nuage électronique autour du noyau (= un courant) vient créer un champ magnétique b0 qui s’oppose à B0. b0 e • Important • ce d est très faible : ~qq ppm pour le proton • Il est indépendant de B0 • Ce décalage dépend de l’environnement électronique = • permet d’élucider différentes structures de molécules.

  11. Technique : principe, spectrométrie RMN Décalage chimique : table des décalages Champ fort Champ faible

  12. Technique : principe, spectrométrie RMN Décalage chimique + aire sous le pic + couplage:  ATTRIBUTION. 3 H 3 H 2 H Exemple acétate d’éthyle C4H8O2 : 8H  la courbe intégrale (aire sous les pics) + tables permettent de retrouver les protons et de les attribuer.

  13. Imagerie ou spectroscopie ? Technique : principe Transformation de Fourier 2D pixel gradients 1 pixel = 1 valeur mm ~qq 200 Hz = 1pixel :qq 3 ppm (eau-graisse : 3,5 ppm @ 1,5 T , 220 Hz)

  14. Spectroscopie : méthodes B1, a B1 Technique : principe, dans l’IRM t t Gy Environ 1 seconde Temps nécessaire pour distinguer Des signaux voisins de qques Hz Mxy fréquence Quelques ms Qques kHz ou ppm / 64-128 MHz

  15. Spectroscopie localisée : 3 blocs • Suppression de l’eau • Eau = H20 = 2x 55 mol/L • métabolites ~ 1 à 10 mmol/L ! • Suppression des éventuels signaux parasites provenant du volume extérieur. • Localisation du signal de RMN dans le volume d’intérêt. Technique, spectroscopie localisée

  16. Spectroscopie localisée : 3 blocs • Suppression de l’eau • Eau = H20 = 2x 55 mol/L • métabolites ~1 à 10 mmol/L ! Technique, spectroscopie localisée Eau 10000 1 B1 t G Impulsion sélective (spectrale, eau) et brouillage par des gradients

  17. Technique, spectroscopie localisée • Spectroscopie localisée : 3 blocs • Suppression des éventuels signaux provenant du volume extérieur B1 t G G Impulsion sélective (spatiale) puis brouillage (gradients).

  18. Spectroscopie localisée : 3 blocs Localisation du signal de RMN dans le volume d’intérêt Volume d’intérêt VOI Technique, spectroscopie localisée 180° 180° 90° B1 t Gx Point-resolved surface coil spectroscopy (PRESS), Chemical shift selective excitation (CHESS), Chemical shift imaging (CSI), … Gy Gz Sélection de 3 plans orthogonaux : intersection =VOI.

  19. Le signal sur bruit : S/B ~ VOI Tacq 2 cm 1 cm Tacq x 64 ! Technique, spectroscopie localisée Malgré l’emploi d’un réseau de capteurs (>6), la spectroscopie du foie in vivo reste peu sensible VOI important !

  20. Spectroscopie localisée : figer le mouvement du foie • spectre sur un volume de 2x2x2 cm3, • 2 à 3 minutes, • mouvements > 1,5-2 cm : • Acquisitions segmentées en apnée • Synchronisation respiratoire • … Technique, spectroscopie localisée

  21. Traitement du signal et quantification des métabolites Signal et/ou spectre corrigé Traitement (domaine temporel ou fréquentiel) Avec connaissance a priori (fréquences et largeurs des raies) Prise en compte des temps de relaxation Calibration (références) Métabolites quantifiés Technique, spectroscopie localisée

  22. Spectroscopie RMN du foie : >20 ans de travaux … de: In vivo NMR spectroscopy of the liver Authors: P Jehenson, C A Cuenod, A Syrota The application of in vivo MR spectroscopy to the study of the liver is currently an expanding field of research. Owing to technical difficulties, the results obtained thus far were mainly those of animal observations. Several nuclei have been considered: hydrogen, phosphorus, carbon or fluorine. This non-traumatic method allows following and quantifying the various metabolic pathways, especially during hepatic diseases. The major metabolic pathways, i.e. neoglycogenesis, glycogenolysis, Krebs' cycle, etc., are studied, as well as their alterations during diseases such as ischemia, diabetes or alcoholism. The development of this promising technique requires the cooperation of various clinical and fundamental disciplines. Journal de radiologie. 02/1989; 70(4):253-7. Résultats

  23. Spectroscopie RMN du foie : >20 ans de travaux à : Boris Guiu1, 2 , Romaric Loffroy1, Jean-Michel Petit3, 6, Serge Aho4, Douraied Ben Salem5, David Masson6, Patrick Hillon7, Jean-Pierre Cercueil1 and Denis Krause1 The purpose of this study was to validate a magnetic resonance imaging (MRI) technique for mapping liver fat, using 1H magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) as the reference standard. In 91 patients with type 2 diabetes, 3.0-T single-voxel point-resolved 1H-MRS was used to calculate the liver fat fraction (LFF) from the water (4.76 ppm) and methylene (1.33 ppm) peaks, corrected for T1 and T2 decays. LFF (corrected for T1 and T2* decays) was also obtained from the mean signal intensity on a map built from a triple-echo (consecutive in-phase, opposed-phase, and in-phase echo times) breath-hold gradient echo sequence, using basic image calculation functions (arithmetic mean, subtraction, division, multiplication by a numerical factor). Mean LFF was 8.9% (range, 0.9–33.5) by MRI and 8.8% (range, 0–34.1) by 1H-MRS. Pearson’s coefficient was 0.976 (P < 0.0001) and Lin’s coefficient was 0.975 (P < 0.0001). Liver segment had no significant influence. With Bland–Altman analysis, 95.6% (87/91) of data points were within the limits of agreement. Given its excellent agreement with 1H-MRS, our mapping technique can be used for visual and quantitative evaluation of liver fat in everyday practice. European Radiology, 27/02/2009 Résultats

  24. 24 Résultats : proton (1,5 T) SéquencePRESS à TE court, synchronisée sur le cycle respiratoire: • TR/TE 1500/30 ms, NA=128, Tacq = 3’12’’, Teff ≈ 6’24’’ – dépend du patient • Voxel: 2 x 2 x 2 cm3 – foie droit, région sans vaisseau • shims (1er et 2nd ordre) • suppression d’eau CHESS • spectre sans suppression d’eau NA=4, Tacq =6’’, Teff ≈ 12’’

  25. Spectres typiques 25 Résultats : proton (1,5 T) Spectres avec suppression d’eau (foiedroit de deux patients) a) Sans stéatose (%Stéatose(VOI)=14%), b) Avec stéatose (%Stéatose(VOI)=45%) 1.5T, HEH, Lyon.

  26. 26 Résultats : proton Analyse quantitative Intensités estimées rapportées à l’intensité de l’eau pour deux patients avec et sans steatose.

  27. Résultats : proton (3T)

  28. Résultats : phosphore (3T) Séquence synchronisée sur le cycle respiratoire avec bandes de saturation: • VOI : 6x6x6 cm3 • TR 5000 ms, NA=64 phosphocreatine (PCr) phosphate inorganique (Pi), phosphomonoester (PME), Phosphodiester (PDE), adenosine triphosphate (ATP). PCr ( =0.0 ppm), PME, 7.1 ppm ; Pi, 5.3 ppm ; PDE, 3.6 ppm, -ATP, -2.4 ppm ; -ATP, -7.7 ppm ; -ATP, -16.1 ppm).

  29. 29 SRM clinique du foie, les points durs : Suppression de l’eau Suppression des signaux du volume extérieur Uniformisation du champ B0 Impulsions radiofréquence : calibration et excitation uniforme “boîte noire” sur IRM cliniques Conclusions, perspectives

  30. 30 SRM clinique In Vivo, les paramètres accessibles Signal/bruit par unité de temps, Correction des mouvements, Références interne ou externe pour la quantification Automatisation d’une quantification robuste Monovoxel  imagerie spectroscopique: Reste beaucoup de travail ! +/- accessibles sur IRM cliniques Conclusions, perspectives

  31. Technique : principe, spectrométrie RMN Décalage chimique B0 La fréquence f est comparée à une référence fref : b0 e d est le décalage chimique donné en ppm (parties par million) La référence choisie présente un effet d’ écran très faible. Exemple pour le proton : tétraméthylsilane (TMS): (CH3)4Si. • Important • ce d est très faible : ~qq ppm pour le proton • Il est indépendant de B0 • Ce décalage dépend de l’environnement électronique = • permet d’élucider différentes structures de molécules.

  32. Technique : principe, spectrométrie RMN Couplage scalaire (bromoéthane) Les protons sont couplés les uns aux autres : ils sont sensibles au spin des protons voisins. N+1 pics Lesprotonsont tous le même décalage chimique mais dépendent des états des protons. Lesprotonsont tous le même décalage chimique, mais …

  33. Technique : principe, in vivo Noyaux candidats ? 1H ! (spectroscopie) eau/lipide +N-acétyl-aspartate, lactate, … cerveau, maladies dégénératives, tumeur, ... Suppression de l’eau ! 31P (spectroscopie) phosphore inorganique, l'ATP, phosphocréatine métabolisme énergétique, pH 13C (spectroscopie) glycogène métabolisme abondance naturelle 1% 23Na (imagerie) 19F Imagerie/spectroscopie, signal ?

  34. Spectroscopie : exemple du proton ? Pixel (voxel) Technique : principe Eau 10000 1 Tout le spectre < 10 ppm : uniformité du champ B0 primordiale ! Signal intéressant : les métabolites : 10-4 ! qq ppm Serrai et al., JMR, 154, 53 (2002)

  35. Technique, spectroscopie localisée Méthode de quantification paramétrique par Moindrescarrés non linéaire (Levenberg-Marquardt) Modèle Paramétrique : Voigt fréquence Intensité phase forme de raie K: nombre de composantes Entrées: Valeurs initiales des fréquences et largeurs de raies Sorties: Intensités ( et formes de raies) estimées minimisant la fonction de coût H Ratiney et al, IEEE ISBI, Paris, France, 2008;

  36. 37 MRS: Post-Processing and Quantification • 10 composantes estimées: Quantification of a 1H water-suppressed spectrum acquired at 1.5T from the right hepatic lobe of a patient displayed as a sum of Voigt lineshape resonances (dotted line), the original spectrum (blue), individual components (green) and the residue (black bold line). B Martinez-Granados et al, NMR Biomed 2006; 19:90-100. IJ Cox et al, World J. Gastroenterol. 2006; 12(30):4773-4783.

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