spectroscopie du foie par résonance magnétique nucléaire

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Spectroscopie du foie par Résonance Magnétique Nucléaire Etat des lieux Technique Résultats Perspectives 2009/ V3 Sophie Cavassila 1 , Hélène Ratiney 1 et Hervé Saint-Jalmes 2 1 Creatis-LRMN, Université de Lyon, 2 LTSI, Université Rennes 1 [email protected] 1 SIAD Journée pri ntemps 2009

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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 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie du foie par Résonance Magnétique Nucléaire

• Etat des lieux

• Technique

• Résultats

• Perspectives

2009/V3

Sophie Cavassila1, Hélène Ratiney1 et Hervé Saint-Jalmes2

1 Creatis-LRMN, Université de Lyon,2 LTSI, Université Rennes 1

[email protected]

1

SIAD

Journée

printem

ps 2009

Page 2: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Foie : nombreuses pathologies dont la détection précoces permettrait une meilleure prise en charge des patients.

2

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 ?

État des lieux

Page 3: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Illustration : spectroscopie localisée 1H du cerveau

3

Cerveau : ~ immobiletrès peu de lipides,dans une antenne très optimisée (16+ canaux) …

État des lieux

Page 4: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

État des lieux

FOIE:Pathologies:StéatoseCirrhoseTumeurs hépatiques…

4

Les outils spectroscopiques :Proton (1H)marqueurs métaboliques(choline, lipides, …)limite les biopsies.

Phosphore (31P)Mesure du métabolisme énergétique.

Ceci en complément des méthodes d’imagerieMAIS ...

Page 5: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

État des lieux

MAIS :La RMN est une méthode peu sensibleLa quantification des métabolites est très difficileL’évolution des métabolites en fonction des pathologies reste un objet de recherches…etle foie est un organe en mouvement !

Donc compromis à trouver entre :Complexité technique et robustesse, fiabilité.Signal/bruit, résolution spatiale et durée d’examen.

5

Page 6: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Résonance Magnétique NucléairePropriété du noyau : nombre impair de protons et/ou neutrons spin nucléaire

Courant dipôle magnétique

Exemple :1H, 3He, 13C, 31P, 19F ont un spin I= ½

=h I

Rapport gyromagnétique

Constante de Planck

h = 6,62 10-34 J s

Technique : principe 6

Page 7: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Résonance Magnétique NucléaireFréquence de Larmor

Exemple du proton à 1 tesla :F =l/2 = 42,5 MHz

lFB0

(équation de Larmor)

B0

M0

F0

Technique : principe 7

Phosphore à 1 tesla :F =l/2 = 17 MHz

Rapport gyromagnétique

Page 8: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie haute résolution

Aimant RMN 11,7 T = 500 MHz pour 1H 10 ppm ( 5000 Hz @ 500 MHz)

[ppm] 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0

: spectre proton 1H

5 mm500 µL

Tube

f

8Technique : principe

t

B1

Page 9: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Pourquoi tous les protons ne résonnent-ils pas exactement à la même fréquence ?

Deux origines :Décalage chimiqueCouplage scalaire

[ppm] 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0

f1 f2 …

Technique : principe, spectrométrie RMN 9

Page 10: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Décalage chimique B0

eb0

Le noyau observé(proton par exemple)ne « voit » pas un champ B0, mais un champ plus faiblecar la rotation du nuage électronique autour du noyau (= un courant) vient créer un champ magnétique b0 qui s’oppose à B0.

b0B0

10Technique : principe, spectrométrie RMN

Important1. ce est très faible : ~qq ppm pour le proton2. Il est indépendant de B03. Ce décalage dépend de l’environnement électronique =

permet d’élucider différentes structures de molécules.

Page 11: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Décalage chimique : table des décalages

ppm

TMS

CH3CH3

RONR2

CH3OCH3

RO

HR

R R

HH

RO

Ph CH3

HR

Cl

CH3

Ph

OH

OH

R

NHR

Upfield regionof the spectrum

Downfield regionof the spectrum

TMS = Me Si

Me

Me

Me

012345678910

CH3HO(R)

Champ faible Champ fort

11Technique : principe, spectrométrie RMN

Page 12: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Décalage chimique + aire sous le pic + couplage: ATTRIBUTION.

O

O H H

O CH3

O

H3C O

O

2 H

3 H

3 H

12Technique : principe, spectrométrie RMN

Exemple acétate d’éthyle C4H8O2 : 8H la courbe intégrale (aire sous

les pics) + tables permettent de retrouver les protons et de les attribuer.

Page 13: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Imagerie ou spectroscopie ?

pixel

mm 1 pixel = 1 valeur

Transformation

de Fourier 2D

~qq 200 Hz = 1pixel :qq 3 ppm(eau-graisse : 3,5 ppm @ 1,5 T , 220 Hz)

Technique : principe 13

gradients

Page 14: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie : méthodes

t

B1,

Gy

Mxy

Technique : principe, dans l’IRM

fréquenceQuelques ms

Environ 1 secondeTemps nécessaire pour distinguerDes signaux voisins de qques Hz

14

tB1

Qques kHz ou ppm / 64-128 MHz

Page 15: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie localisée : 3 blocs

1.Suppression de l’eauEau = H20 = 2x 55 mol/Lmétabolites ~ 1 à 10 mmol/L !

2.Suppression des éventuels signaux parasites provenant du volume extérieur.

3.Localisation du signal de RMN dans le volume d’intérêt.

Technique, spectroscopie localisée 15

Page 16: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie localisée : 3 blocs

1.Suppression de l’eauEau = H20 = 2x 55 mol/Lmétabolites ~1 à 10 mmol/L !

Eau10000

1

tB1

G

16Technique, spectroscopie localisée

Impulsion sélective (spectrale, eau) et brouillage par des gradients

Page 17: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie localisée : 3 blocs

2.Suppression des éventuels signaux provenant du volume extérieur

tB1

G

17Technique, spectroscopie localisée

G

Impulsion sélective (spatiale) puis brouillage (gradients).

Page 18: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie localisée : 3 blocs

3.Localisation du signal de RMN dans le volume d’intérêt

tB1

Gx

Volume d’intérêtVOI

Point-resolved surface coil spectroscopy (PRESS),Chemical shift selective excitation (CHESS),

Chemical shift imaging (CSI),…

18Technique, spectroscopie localisée

Gy

Gz

90°

180° 180°

Sélection de 3 plans orthogonaux : intersection =VOI.

Page 19: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Le signal sur bruit : S/B ~ VOI Tacq

19Technique, spectroscopie localisée

Malgré l’emploi d’un réseau de capteurs (>6), la spectroscopie du foie in vivo reste peu sensible VOI important !

2 cm 1 cm Tacq x 64 !

Page 20: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

20Technique, spectroscopie localisée

Spectroscopie localisée : figer le mouvement du foie- spectre sur un volume de 2x2x2 cm3,- 2 à 3 minutes, - mouvements > 1,5-2 cm :

1.Acquisitions segmentées en apnée2.Synchronisation respiratoire3.…

Page 21: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

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 relaxationCalibration (références)

Métabolites quantifiés

21Technique, spectroscopie localisée

Page 22: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie RMN du foie : >20 ans de travaux …

de:

Résultats

In vivo NMR spectroscopy of the liverAuthors: 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.

22

Page 23: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectroscopie RMN du foie : >20 ans de travaux

à :

Résultats

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

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Page 24: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Quantification of the Hepatic Fatty Infiltration and the Metabolite Concentrations Using Magnetic Resonance Spectroscopy and In and Out of Phase ImagingS Cavassila1, A Bucur1, H Ratiney1, C Cudalbu1, O Beuf1, F Pilleul1,2 ISMRM 2009

24

• Voxel: 2 x 2 x 2 cm3 – foie droit, région sans vaisseau

• shims (1er et 2nd ordre)

• suppression d’eau CHESS

Séquence PRESS à TE court, synchronisée sur le cycle respiratoire:

TR/TE 1500/30 ms, NA=128, Tacq = 3’12’’,Teff ≈ 6’24’’ – dépend du patient

spectre sans suppression d’eau NA=4, Tacq =6’’, Teff ≈ 12’’

Résultats : proton (1,5 T) 24

Page 25: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Spectres typiques

Spectres avec suppression d’eau (foie droit de deux patients) a) Sans stéatose (%Stéatose(VOI)=14%), b) Avec stéatose (%Stéatose(VOI)=45%)

1.5T, HEH, Lyon.

25Résultats : proton (1,5 T)

Page 26: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Analyse quantitative

Intensités estimées rapportées à l’intensité de l’eau pour deux patients avec et sans steatose.

-3

2

7

12

17

22

5.2ppm 3.7ppm 3.2ppm 2ppm 1.3ppm 0.9ppm

frequences (ppm)

Inte

nsi

tés

(u.a

.)

Patient non steatosique

Patient steatosique

Résultats : proton 26

Page 27: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Résultats : proton (3T) 27

Page 28: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

28

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).

Résultats : phosphore (3T) Séquence synchronisée sur le cycle respiratoireavec bandes de saturation:

VOI : 6x6x6 cm3

TR 5000 ms, NA=64

Page 29: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Conclusions, perspectives 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

Page 30: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Conclusions, perspectives 30

SRM clinique In Vivo, les paramètres accessibles

Signal/bruit par unité de temps, Correction des mouvements,

Références interne ou externepour la quantification

Automatisation d’une quantification robuste

Monovoxel imagerie spectroscopique:

Reste beaucoup de travail !

+/- accessiblessur IRM cliniques

Page 31: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

31

Page 32: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Décalage chimique B0

eb0

La fréquence f est comparée à une référence fref :

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.

Important1. ce est très faible : ~qq ppm pour le proton2. Il est indépendant de B03. Ce décalage dépend de l’environnement électronique =

permet d’élucider différentes structures de molécules.

32Technique : principe, spectrométrie RMN

Page 33: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Couplage scalaire (bromoéthane)

C C

H

H

H

H

H

Br

C C

H

H

H

H

H

Br

Les protons sont couplés les uns aux autres : ils sont sensibles au spin des protons voisins.

Les protons ont tous le même décalage chimique mais dépendent des états des protons.

Les protons ont tous le même décalage chimique, mais …

N+1 pics

33Technique : principe, spectrométrie RMN

Page 34: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Noyaux candidats ?1H ! (spectroscopie) eau/lipide +N-acétyl-aspartate, lactate, …

cerveau, maladies dégénératives, tumeur, ...Suppression de l’eau !

31P (spectroscopie) phosphore inorganique, l'ATP, phosphocréatinemétabolisme énergétique, pH

13C (spectroscopie) glycogènemétabolismeabondance naturelle 1%

23Na (imagerie)19F

Imagerie/spectroscopie, signal ?

Technique : principe, in vivo 34

Page 35: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Tout le spectre < 10 ppm : uniformité du champ B0

primordiale !Signal intéressant :

les métabolites : 10-4 !

Pixel(voxel)

Serrai et al., JMR, 154, 53 (2002)

Eau10000

1

qq ppm

Spectroscopie : exemple du proton ?

Technique : principe 35

Page 36: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

Méthode de quantification paramétrique par Moindres carrés non linéaire (Levenberg-Marquardt)

)exp()2exp(aˆ 01

22 itfittyK

knknknkkn

Modèle Paramétrique : Voigt

Intensité

forme de raie phase

fréquence

K: nombre de composantes

H Ratiney et al, IEEE ISBI, Paris, France, 2008;

Entrées: Valeurs initiales des fréquences et largeurs de raies

Sorties: Intensités ( et formes de raies) estimées minimisant la fonction de coût

Technique, spectroscopie localisée

Page 37: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

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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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Page 38: Spectroscopie du foie par  Résonance Magnétique Nucléaire

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