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Neurospectroscopie Neurospectroscopie par Résonance Magnétique par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPESQUELQUES PRINCIPES
Patrick COZZONEPatrick COZZONE
20072007
Centre d ’Exploration Métabolique par Centre d ’Exploration Métabolique par
Résonance Magnétique (CEMEREM) Résonance Magnétique (CEMEREM)
UMR CNRS 6612 - Aix Marseille Université UMR CNRS 6612 - Aix Marseille Université
Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone , MarseilleFaculté de Médecine et Hôpital de la Timone , Marseille
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IRM "Tissulaire" Diffusion
Transfert d ’aimantation
Anatomie T1w et T2w IRM
HémodynamiquePerfusion
Bolus trackingSpin labelling
Fonction IRMf
Angiographie RM
Exploration du cerveau
parRésonance Magnétique
Métabolisme Spectrométrie In vivo
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Angio-MR
Perfusion MRI
Diffusion MRI
MRI-Flash T2* MRS
fMRI
LAC / NAA
Metabolic Imaging
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Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale
CEMEREM-CRMBM-Marseille
NAA
tCrtCho
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IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE
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Prix Nobel de Physique 1952
Félix Bloch Edward Purcell
IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE
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Prix Nobel de Médecine ou Physiologie 2003
Paul Lauterbur Peter Mansfield
L ’IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE
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Prix Nobel de Chimie 1991 Prix Nobel de Chimie 2002
Richard Ernst Kurt Wuthrich
LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE
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SRM CEREBRALESRM CEREBRALE
• IRM et SRM utilisent le même appareil.
• Pour le patient, les conditions sont identiques à celles d ’une IRM cérébrale.
Siemens Vision Plus 1,5 T
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PRINCIPEPRINCIPE
DE LA SRMDE LA SRM
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IMAGERIE et SPECTROMETRIEIMAGERIE et SPECTROMETRIE
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IMAGERIE et SPECTROMETRIEIMAGERIE et SPECTROMETRIE
• IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules
IMAGE IMAGE (caractérisation anatomique)(caractérisation anatomique)
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IMAGERIE et SPECTROMETRIEIMAGERIE et SPECTROMETRIE
• IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules
• SRM : recueil du signal des autres molécules présentes dans les cellules (métabolites)
IMAGE IMAGE (caractérisation anatomique)(caractérisation anatomique)
SPECTRE SPECTRE (caractérisation métabolique)(caractérisation métabolique)
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NMR signal
TF
IRM
In vivo MRS, MRI
100 M
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NMR signal
TF
MRI
In vivo MRS, MRI
100 M
waterwater
metabolitesmetabolites
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NMR signal
TF
TF
MRI
MRS
In vivo MRS, MRI
100 M
1-10 mM
NMR signal
waterwater
metabolitesmetabolites
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H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
IRMIRM
Impulsion Impulsion RFRF
TFTF
BB00 et et GradientsGradients
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H2O
H2O H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
SRMSRMBB00
Impulsion Impulsion RFRF
I I
TFTF
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H
H
eau
éthanol
OOHH
CCHH22
CCHH33
Déplacement chimique
H2O
HH
HH
HH
H
ppm
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Deux règles de base
1. Le déplacement chimique (fréquence de résonance) des protons d ’une molécule donnée est constant . Il caractérise la molécule.
2. L ’intensité du signal varie en fonction de la concentration.
I I
HH
HH
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IRMIRM
IMAGE
Information anatomique
SPECTRE
Information métabolique
Concentration
TE = 135 ms
SRMSRM
NAA
Cr/PCr
CHO
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Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long
CEMEREM-CRMBM-Marseille
NAA
tCrtCho
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NAA
Lipides
tCr
tCho
Ins Glx
Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo court
CEMEREM-CRMBM, UMR CNRS 6612, Marseille
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Proton MRS spectrum of the human brain
1.5 T vs 3T
PRESS 35 ms
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Métabolites cérébraux observés par SRM
• N-Acétyl Aspartate• GABA• Glutamate/ Glutamine• Glucose• myo-Inositol• scyllo-Inositol• Taurine• Composés de la Choline • Créatine/ PhosphoCréatine• Lactate• Succinate, Leucine, Alanine, Acétate • Lipides
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3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
PPM
C H3
C
NH
CH CO
OHC H2
CO
O
SRM duN-Acétyl Aspartate (NAA)
OH
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3.5 3 2.544.5
PPM
SRM de la Créatine
C H3
C H2CO
-O
C NH
N3H+
N
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PPM
4.5 4 3.5 3 2.5 2
H3 C +N
CH3
CH3
C H2 C H2 OH
SRM de la Choline
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3.5 3 2.5 2 1.54PPM
N-Acétyl Aspartate (NAA)
Choline
Créatine
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3.5 3 2.5 2 1.54PPM
N-Acétyl Aspartate (NAA)
Choline
Créatine
Spectre calculé
Spectre réelSpectre réel
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NAANAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale
NAACr/PCrCHO
Lac
TE = 135 msTE = 135 ms
LacLac (Lactate) : témoin d ’un processus ischémique, d ’un dysfonctionnement mitochondrial ou d ’une infiltration macrophagique
CHOCHO (Choline) : marqueur des membranes (lésions, renouvellement), de la myéline ou d ’une inflammation (bétaïne)
Cr/PCrCr/PCr (Créatine-Phosphocréatine) : marqueur de densité cellulaire
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mI: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale)
mI
ChoCr
NAA
Cr
Glx: glutamine-glutamate, (« neurotransmetteurs » ) métabolisme NH3, excitotoxicité.
Glx
Lip: lipides, nécrose ou contamination (scalp)intégrité membranaire, dyslipidémies ...
Lip
TE = 35 ms
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ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL
• Neurones
• Cellules Gliales•Astrocyte•Oligodendrocyte•Myéline
• Microglie et macrophages
METABOLISME NEURO-GLIALMETABOLISME NEURO-GLIAL
![Page 34: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/34.jpg)
Neuron Plasmic Membrane
Glial Plasmic Membrane
N-Acétyl Aspartate
NAAConcentration élevée
Rôle dans la synthèse protéique
Rôle dans la synthèse lipidique?
Stockage de l’Aspartate?
Métabolite du NAAG ?
Osmorégulation ?
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GLUTAMATE et GLUTAMINE
NEURONASTROCYTE
glutamine
glutamate
GABAGABA
glutamate
glutamine
NH3 glutaminase
Glutamic acid decarboxylase (GAD)GABA transaminase
Glutamine synthetase
CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE
![Page 36: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/36.jpg)
Exploration du métabolisme cérébral par SRM 1H in vivo
AA EXCITATEUR
myo -Inositolglycine
cholineet dérivés
créatinephosphocréatine
N-acétyl aspartate
-protéines-acides aminés-lipides mobiles-si acide lactique
glutamate (neurones)glutamine (glie )
MALADIES METABOLIQUES
METABOLISME MEMBRANAIREMYELINISATION / DEMYELINISATION
ANOXIE
INFLAMMATION
EXCITOTOXICITE
METABOLISME NH3
CYCLE GLUTAMINE-GLUTAMATE
CELLULARITEBIOENERGÉTIQUEMARQUEUR GLIAL
METABOLISME MEMBRANAIREMYELINISATION / DEMYELINISATION
INFLAMMATIONPROCESSUS TUMORAL
taurinescyllo-inositol
OSMOLYTES
OSMOLYTEMARQUEUR GLIAL
AA EXCITATEUR
MARQUEUR NEURONAL
0.501.001.502.002.503.003.504.00 0.00
ppm
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Spectrométrie de Résonance MagnétiqueSpectrométrie de Résonance MagnétiqueCérébraleCérébrale
- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral
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Spectrométrie de Résonance MagnétiqueSpectrométrie de Résonance MagnétiqueCérébraleCérébrale
- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral
- Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM
![Page 39: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/39.jpg)
Spectrométrie de Résonance MagnétiqueSpectrométrie de Résonance MagnétiqueCérébraleCérébrale
- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral
- Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM
- Dosage de molécules issues du métabolisme de divers
types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….)
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Spectrométrie de Résonance MagnétiqueSpectrométrie de Résonance MagnétiqueCérébraleCérébrale
- Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral
- Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM
- Dosage de molécules issues du métabolisme de divers
types cellulaires cérébraux (neurones, glie,….)
- Analyse objective et quantifiée de la souffrance cérébrale
![Page 41: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/41.jpg)
MONOVOXEL
LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
![Page 42: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/42.jpg)
MONOVOXELMULTIVOXELMULTIVOXEL (CSI 2D)Imagerie métabolique
LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
![Page 43: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/43.jpg)
SRM monovoxel: Méthode de localisation
La sélection du volume sensible (VOXEL) est le résultat de 3 excitations sélectives successives dans trois plans orthogonaux
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SRM monovoxel: Méthode de localisation
- STEAM / VEST / VOSY (stimulated echo acquisition mode)
- PRESS ( point resolved spectroscopy)
- CHESS (élimination du signal de l’eau)
Sensibilité: PRESS > STEAMRésolution Spatiale: STEAM > PRESS
DEUX METHODES :
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STEAMPRESS
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Coupe sagittale
Coupe transverse
Coupe coronale
SPECTRE
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Diagnostic positif de tumeurDiagnostic positif de tumeur
CHOLINECHOLINE
NAANAA
Controlatéral normalControlatéral normal
Avantages rapide (1 mn) traitement simple
Inconvénient un seul voxel
Spectrométrie monovoxelSpectrométrie monovoxel
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Techniques de localisation monovoxel
SRM du pôle temporal droit
CEMEREM-Marseille
SRM du pôle temporal gauche
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MONOVOXELMULTIVOXELMULTIVOXEL (CSI 2D)Imagerie métabolique
LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES
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FID
1 pulse
FID
1 pulse
Gx
Gy
Gz
Acquisition
2DPhase encoding
Number of acquisitions: Nx Ny
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FID
1 pulse
FID
1 pulse
Gx
Gy
Gz
Acquisition
3DPhase encoding
Number of acquisitions: Nx Ny Nz
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/2
TE/2 TE/2
SPIN ECHO
2D Phase encoding
Gx
Gy
GzSliceselection
Number of acquisitions: Nx Ny
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Imagerie métabolique avec tranches de saturation
OVS = outer volume saturation
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SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE
Méthode de localisation
L’acquisition simultanée d’une matrice spatiale 1D, 2D ou 3D de spectres est réalisée après excitation et codage de phase.
carte de spectres
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SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE
![Page 64: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/64.jpg)
SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE CARTE DES SPECTRES
![Page 65: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/65.jpg)
IMAGERIE METABOLIQUE(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRESCARTE DES SPECTRES
![Page 66: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/66.jpg)
Résolution11 x 11 mm
CARTOGRAPHIE NAACEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612
![Page 67: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/67.jpg)
PlanBihippocampique
CA-CP + 8mm
Positionnement des coupes en imagerie métabolique
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Temporal NéocortexHippocampe Postérieur Hippocampe Antérieur Gche
CEMEREM-Marseille
Sujet contrôle
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SAGITTAL CSI 2D 135 msPosterior Fossa D. Galanaud et al. MAGMA 13 (2001)127-133
CEMEREM-CRMBM, Marseille
Mesancephalon
Cerebellar WM
Medulla oblongata
Pons
Vermis
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Imagerie métabolique protonique sagittale médiane
1) Genou
2) Partie Antérieure 3) Partie Postérieure
NAACrCho
4) Splénium
NAA : N-acétyl-aspartateCr:Créatine,PhosphocréatineCho: Choline
Exploration IRM/SRM centrée sur le CC
(Ranjeva et al., Multiple Sclerosis 2003)
Taille CC MD MTR
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2 1 034 ppm
Cho
NAA
2 1 034 ppm
Lesion TE = 135 ms
Controlateral
TE = 135 ms
Diagnostic positif de tumeurDiagnostic positif de tumeur
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12
34
Gliomes : Diagnostic d’extension
1
2
3
4
Guidage du geste biopsique
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IMAGERIE METABOLIQUE(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRESCARTE DES SPECTRES
1
2
3 4
image (1) image (3)
image (2) image (4)
NAANAACrCr
CHOCHOLactateLactate
![Page 74: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/74.jpg)
IMAGERIE METABOLIQUE(IRM clinique 1,5 T - SRM proton)
CARTE DES SPECTRESCARTE DES SPECTRES image du lactate à 4
(4)
![Page 75: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/75.jpg)
CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612
NAA CHO Cr
IMAGERIE
METABOLIQUE
HAUTE RESOLUTION
TE = 135 ms
NAA CHO Cr
NAA
CHOCr
![Page 76: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/76.jpg)
CEMEREM-Marseille
Diagnostic différentiel
Gliomatose vs
Gliome de Bas Grade
D. Galanaud et al.Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269-276
![Page 77: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/77.jpg)
CEMEREM-Marseille
Diagnostic différentiel
Gliomatose vs
Gliome de Bas Grade
D. Galanaud et al.Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269-276
![Page 78: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/78.jpg)
Imagerie métabolique des tumeursImagerie métabolique des tumeursDiagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas gradeDiagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade
Cho/Cr
![Page 79: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/79.jpg)
Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas gradeDiagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade
SVS TE=20 ms
SVS TE=20 ms
NAA
NAA
NAA
NAA
Cr
Cr
Cr
Cr
Cho
Cho
Cho
Cho
mI
mI
![Page 80: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/80.jpg)
Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas gradeDiagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Analyse en Composantes Principales des MétabolitesAnalyse en Composantes Principales des Métabolites
F2
Cho/S
Ins/S
NAA/S
Cr/S
LGGNV
GC
SV TE=20 ms
F1
![Page 81: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/81.jpg)
SRM CÉRÉBRALE EN 2007
VOXEL UNIQUE
• 1995 :
2 x 2 x 2 = 8 ml AT = 30 min.
STEAM 20 ms
• 2007 :
1,5 x 1,5 x 1,5 = 3,4 ml AT = 54 sec.
PRESS 40 ms
![Page 82: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/82.jpg)
SRM CÉRÉBRALE EN 2007CSI 2D• Standard :
matrice 21 x 21 voxels AT = 10 min.voxel cylindrique : 5,7 ml (d = 2,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm
• Haute résolution :matrice 33 x 33 voxels AT = 28 min.voxel cylindrique : 1,5 ml (d = 1,1 cm h = 1,5 cm) FOV 240 mm x 240 mm
![Page 83: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/83.jpg)
SRM CÉRÉBRALE EN 2007CSI 3D (PEPSI)
matrice 21 x 21 x 64 voxels AT = 10 min.voxel cylindrique : 2,3 ml
(d = 2,1 cm h = 1,5 cm)
FOV 240 mm x 240 mm x 470 mm
sélection de
tranche sur 80 mm
![Page 84: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/84.jpg)
Spectrométrie monovoxel -> 1 seul volume d’intérêt
Imagerie métabolique -> plusieurs volumes d’intérêt
< 5 minutes Robuste Fiable Information spatiale limitée
10 minutes + (12 min pour 21x21 voxels de 5ml) Information spatiale plus importante
![Page 85: Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM)](https://reader036.vdocuments.site/reader036/viewer/2022062511/551d9d91497959293b8c77a2/html5/thumbnails/85.jpg)
Capacité technique
SRM Recherche
SRM Clinique
IRM
Facilité d'utilisation
IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (1995)
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Capacité technique
SRM Recherche SRM
Clinique
IRM
Facilité d'utilisation
IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (2007)
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Impact diagnostique et thérapeutique
SRM Recherche
SRM Clinique
IRM
Bénéfice pour le patient
IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (1995)
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Impact diagnostique et thérapeutique
SRM Recherche
SRM Clinique
IRM
Bénéfice pour le patient
IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (2007)