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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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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
1
SIAD
Journée
printem
ps 2009
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
Illustration : spectroscopie localisée 1H du cerveau
3
Cerveau : ~ immobiletrès peu de lipides,dans une antenne très optimisée (16+ canaux) …
État des lieux
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 ...
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
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
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
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
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
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.
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
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.
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
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
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
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
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).
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.
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 !
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.…
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
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
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
23
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
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)
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
Résultats : proton (3T) 27
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
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
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
31
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
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
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
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
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
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.
37
38