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Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d ’Exploration Métabolique par Neurospectroscopie par Résonance Magnétique QUELQUES PRINCIPES Patrick COZZONE 2007 Centre d ’Exploration Métabolique par Résonance Magnétique (CEMEREM) UMR CNRS 6612 - Aix Marseille Université Faculté de Médecine et Hôpital de la Timone , Marseille

Anatomie IRM Anatomie IRM "Tissulaire" T 1 w et T 2 w IRM Fonction IRMf Diffusion Transfert d ’aimantation Exploration du cerveau par Résonance Magnétique Angiographie RM Hémodynamique Perfusion Bolus tracking Spin labelling Métabolisme Spectrométrie In vivo

Diffusion MRI-Flash T 2* f. MRI Angio-MR Perfusion MRI Metabolic Imaging MRS LAC / Diffusion MRI-Flash T 2* f. MRI Angio-MR Perfusion MRI Metabolic Imaging MRS LAC / NAA

Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale NAA t. Cho t. Cr CEMEREM-CRMBM-Marseille Spectrométrie de Résonance Magnétique (SRM) Cérébrale NAA t. Cho t. Cr CEMEREM-CRMBM-Marseille

IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE

IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE Félix Bloch IRM et SRM SONT DEUX APPLICATIONS du PHENOMENE DE RESONANCE MAGNETIQUE Félix Bloch Edward Purcell Prix Nobel de Physique 1952

L ’IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE Paul Lauterbur Peter Mansfield Prix Nobel de Médecine ou L ’IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE Paul Lauterbur Peter Mansfield Prix Nobel de Médecine ou Physiologie 2003

LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE Richard Ernst Kurt Wuthrich Prix Nobel de Chimie 1991 LA SPECTROMÉTRIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE Richard Ernst Kurt Wuthrich Prix Nobel de Chimie 1991 Prix Nobel de Chimie 2002

SRM CEREBRALE • IRM et SRM utilisent le même appareil. • Pour le patient, SRM 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

PRINCIPE DE LA SRM PRINCIPE DE LA SRM

IMAGERIE et SPECTROMETRIE IMAGERIE et SPECTROMETRIE

IMAGERIE et SPECTROMETRIE • IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes IMAGERIE et SPECTROMETRIE • IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules IMAGE (caractérisation anatomique)

IMAGERIE et SPECTROMETRIE • IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes IMAGERIE et SPECTROMETRIE • IRM : recueil du signal des molécules d ’eau présentes dans les cellules IMAGE (caractérisation anatomique) • SRM : recueil du signal des autres molécules présentes dans les cellules (métabolites) SPECTRE (caractérisation métabolique)

In vivo MRS, MRI NMR signal TF 100 M IRM In vivo MRS, MRI NMR signal TF 100 M IRM

In vivo MRS, MRI water metabolites NMR signal TF 100 M MRI In vivo MRS, MRI water metabolites NMR signal TF 100 M MRI

In vivo MRS, MRI water metabolites 100 M NMR signal TF NMR signal MRI In vivo MRS, MRI water metabolites 100 M NMR signal TF NMR signal MRI 1 -10 m. M TF MRS

IRM B 0 et Gradients H 2 O H 2 O H 2 O IRM B 0 et Gradients H 2 O H 2 O H 2 O Impulsion RF TF

SRM B 0 H 2 O H 2 O TF H 2 O Impulsion SRM B 0 H 2 O H 2 O TF H 2 O Impulsion RF I I

H 2 O H H eau CH 2 H H éthanol CH 3 OH H 2 O H H eau CH 2 H H éthanol CH 3 OH ppm Déplacement chimique

Deux règles de base 1. Le déplacement chimique (fréquence de résonance) des protons d 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. H H I I

TE = 135 ms IRM NAA Cr/PCr CHO Concentration SRM IMAGE Information anatomique SPECTRE TE = 135 ms IRM NAA Cr/PCr CHO Concentration SRM IMAGE Information anatomique SPECTRE Information métabolique

Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long NAA t. Cho t. Cr CEMEREM-CRMBM-Marseille Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo Long NAA t. Cho t. Cr CEMEREM-CRMBM-Marseille

Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo court NAA t. Cr t. Cho Ins Glx Spectrométrie Localisée à Temps d ’Echo court NAA t. Cr t. Cho Ins Glx Lipides CEMEREM-CRMBM, UMR CNRS 6612, Marseille

Proton MRS spectrum of the human brain 1. 5 T vs 3 T PRESS Proton MRS spectrum of the human brain 1. 5 T vs 3 T PRESS 35 ms

Métabolites cérébraux observés par SRM • • • N-Acétyl Aspartate GABA Glutamate/ Glutamine Glucose Métabolites cérébraux observés par SRM • • • N-Acétyl Aspartate GABA Glutamate/ Glutamine Glucose myo-Inositol scyllo-Inositol Taurine Composés de la Choline Créatine/ Phospho. Créatine Lactate Succinate, Leucine, Alanine, Acétate Lipides

Spectre calculé Spectre réel Spectre calculé Spectre réel

TE = 135 ms CHO Cr/PCr NAA Lac NAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance TE = 135 ms CHO Cr/PCr NAA Lac NAA (N-Acetyl-Aspartate) : index de souffrance ou de mort neuronale CHO (Choline) : marqueur des membranes (lésions, renouvellement), de la myéline ou d ’une inflammation (bétaïne) Cr/PCr (Créatine-Phosphocréatine) : marqueur de densité cellulaire Lac (Lactate) : témoin d ’un processus ischémique, d ’un dysfonctionnement mitochondrial ou d ’une infiltration macrophagique

NAA Cr TE = 35 ms Cho Cr m. I Glx Lip m. I: NAA Cr TE = 35 ms Cho Cr m. I Glx Lip m. I: myoinositol: marqueur glial (gliose, prolifération gliale) Glx: glutamine-glutamate, ( « neurotransmetteurs » ) métabolisme NH 3, excitotoxicité. Lip: lipides, nécrose ou contamination (scalp) intégrité membranaire, dyslipidémies. . .

ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL • Neurones • Cellules Gliales • Astrocyte • Oligodendrocyte • ORGANISATION DU TISSU CÉRÉBRAL • Neurones • Cellules Gliales • Astrocyte • Oligodendrocyte • Myéline • Microglie et macrophages METABOLISME NEURO-GLIAL

Neuron Plasmic Membrane N-Acétyl Aspartate NAA Concentration élevée Rôle dans la synthèse protéique Rôle Neuron Plasmic Membrane N-Acétyl Aspartate NAA Concentration élevée Rôle dans la synthèse protéique Rôle dans la synthèse lipidique? Stockage de l’Aspartate? Métabolite du NAAG ? Osmorégulation ? Glial Plasmic Membrane

GLUTAMATE et GLUTAMINE CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE ASTROCYTE GABA NEURON GABA transaminase Glutamic acid decarboxylase (GAD) GLUTAMATE et GLUTAMINE CYCLE GLUTAMATE-GLUTAMINE ASTROCYTE GABA NEURON GABA transaminase Glutamic acid decarboxylase (GAD) glutamate Glutamine synthetase NH 3 glutaminase glutamine

Exploration du métabolisme cérébral par SRM 1 H in vivo AA XCITATEUR E EXCITOTOXICITE Exploration du métabolisme cérébral par SRM 1 H in vivo AA XCITATEUR E EXCITOTOXICITE CELLULARITE BIOENERGÉTIQUE MARQUEUR GLIAL glutamate (neurones) glutamine glie ( ) METABOLISME MEMBRANAIRE MYELINISATION / DEMYELINISATION créatine phosphocréatine INFLAMMATION PROCESSUS TUMORAL METABOLISME NH 3 CYCLE LUTAMINE-GLUTAMATE G N-acétyl aspartate MARQUEUR NEURONAL choline et dérivés OSMOLYTES OSMOLYTE MARQUEUR GLIAL taurine scyllo - inositol MALADIES METABOLIQUES -protéines -acides aminés -lipides mobiles -si acide lactique myo - Inositol glycine METABOLISME MEMBRANAIRE MYELINISATION/ DEMYELINISATION INFLAMMATION AA EXCITATEUR ANOXIE 4. 00 3. 50 3. 00 2. 50 2. 00 1. 50 ppm 1. 00 0. 50 0. 00

Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral

Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral - Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral - Réalisée au décours d ’un examen « classique » d ’IRM

Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral - Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - 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, …. )

Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - Méthode d ’exploration non-invasive du métabolisme cérébral - Spectrométrie de Résonance Magnétique Cérébrale - 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

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MONOVOXEL LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MONOVOXEL

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MONOVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2 D) MULTIVOXEL Imagerie LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MONOVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2 D) MULTIVOXEL Imagerie métabolique

SRM monovoxel: Méthode de localisation La sélection du volume sensible (VOXEL) est le résultat SRM monovoxel: Méthode de localisation La sélection du volume sensible (VOXEL) est le résultat de 3 excitations sélectives successives dans trois plans orthogonaux

SRM monovoxel: Méthode de localisation DEUX METHODES : - STEAM / VEST / VOSY SRM monovoxel: Méthode de localisation DEUX METHODES : - STEAM / VEST / VOSY (stimulated echo acquisition mode) - PRESS ( point resolved spectroscopy) - CHESS (élimination du signal de l’eau) Sensibilité: PRESS > STEAM Résolution Spatiale: STEAM > PRESS

PRESS STEAM PRESS STEAM

Coupe sagittale Coupe coronale Coupe transverse SPECTRE Coupe sagittale Coupe coronale Coupe transverse SPECTRE

Spectrométrie monovoxel Diagnostic positif de tumeur Controlatéral normal CHOLINE NAA Avantages rapide (1 mn) Spectrométrie monovoxel Diagnostic positif de tumeur Controlatéral normal CHOLINE NAA Avantages rapide (1 mn) traitement simple Inconvénient un seul voxel

Techniques de localisation monovoxel SRM du pôle temporal droit SRM du pôle temporal gauche Techniques de localisation monovoxel SRM du pôle temporal droit SRM du pôle temporal gauche CEMEREM-Marseille

LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MONOVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2 D) MULTIVOXEL Imagerie LA SRM DU CERVEAU : 2 MÉTHODES MONOVOXEL MULTIVOXEL (CSI 2 D) MULTIVOXEL Imagerie métabolique

FID 1 pulse Acquisition FID 1 pulse Gx 2 D Gy Phase encoding FID 1 pulse Acquisition FID 1 pulse Gx 2 D Gy Phase encoding Gz Number of acquisitions: Nx Ny

FID 1 pulse Acquisition FID 1 pulse Gx 3 D Gy Phase encoding FID 1 pulse Acquisition FID 1 pulse Gx 3 D Gy Phase encoding Gz Number of acquisitions: Nx Ny Nz

/2 TE/2 2 D Phase encoding Slice selection SPIN ECHO TE/2 Gx Gy /2 TE/2 2 D Phase encoding Slice selection SPIN ECHO TE/2 Gx Gy Gz Number of acquisitions: Nx Ny

Imagerie métabolique avec tranches de saturation OVS = outer volume saturation Imagerie métabolique avec tranches de saturation OVS = outer volume saturation

SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE Méthode de localisation L’acquisition simultanée d’une matrice spatiale 1 D, SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE Méthode de localisation L’acquisition simultanée d’une matrice spatiale 1 D, 2 D ou 3 D de spectres est réalisée après excitation et codage de phase. carte de spectres

SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE

SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE CARTE DES SPECTRES SRM multivoxel: IMAGERIE MÉTABOLIQUE CARTE DES SPECTRES

IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1, 5 T - SRM proton) CARTE DES SPECTRES IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1, 5 T - SRM proton) CARTE DES SPECTRES

CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 CARTOGRAPHIE NAA Résolution 11 x 11 mm CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 CARTOGRAPHIE NAA Résolution 11 x 11 mm

Positionnement des coupes en imagerie métabolique Plan Bihippocampique CA-CP + 8 mm Positionnement des coupes en imagerie métabolique Plan Bihippocampique CA-CP + 8 mm

CEMEREM-Marseille Sujet contrôle Hippocampe Postérieur Temporal Néocortex Hippocampe Antérieur Gche CEMEREM-Marseille Sujet contrôle Hippocampe Postérieur Temporal Néocortex Hippocampe Antérieur Gche

SAGITTAL CSI 2 D 135 ms Posterior Fossa CEMEREM-CRMBM, Marseille D. Galanaud et al. SAGITTAL CSI 2 D 135 ms Posterior Fossa CEMEREM-CRMBM, Marseille D. Galanaud et al. MAGMA 13 (2001)127 -133 Mesancephalon Vermis Pons Cerebellar WM Medulla oblongata

Exploration IRM/SRM centrée sur le CC Taille CC MD MTR Imagerie métabolique protonique sagittale Exploration IRM/SRM centrée sur le CC Taille CC MD MTR Imagerie métabolique protonique sagittale médiane 2) Partie Antérieure 3) Partie Postérieure 4) Splénium NAA Cho 1) Genou Cr NAA : N-acétyl-aspartate Cr: Créatine, Phosphocréatine Cho: Choline (Ranjeva et al. , Multiple Sclerosis 2003)

Diagnostic positif de tumeur Cho Lesion TE = 135 ms NAA 4 3 2 Diagnostic positif de tumeur Cho Lesion TE = 135 ms NAA 4 3 2 1 0 ppm Controlateral TE = 135 ms ppm

Gliomes : Diagnostic d’extension 2 2 1 3 4 3 1 4 Guidage du Gliomes : Diagnostic d’extension 2 2 1 3 4 3 1 4 Guidage du geste biopsique

IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1, 5 T - SRM proton) NAA Cr CHO Lactate IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1, 5 T - SRM proton) NAA Cr CHO Lactate 2 3 4 1 CARTE DES SPECTRES image ( 1) image ( 3) image ( 2) image ( 4)

IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1, 5 T - SRM proton) ( 4) CARTE DES IMAGERIE METABOLIQUE (IRM clinique 1, 5 T - SRM proton) ( 4) CARTE DES SPECTRES image du lactate à 4

CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 NAA IMAGERIE CHO METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION TE = 135 ms CEMEREM-CRMBM UMR CNRS 6612 NAA IMAGERIE CHO METABOLIQUE HAUTE RESOLUTION TE = 135 ms NAA CHO Cr Cr

CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269 -276

CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal CEMEREM-Marseille Diagnostic différentiel Gliomatose vs Gliome de Bas Grade D. Galanaud et al. Journal of Neurosurgery (2003) 98: 269 -276

Imagerie métabolique des tumeurs Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Cho/Cr Imagerie métabolique des tumeurs Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Cho/Cr

Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade m. I Cr Cho SVS TE=20 Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade m. I Cr Cho SVS TE=20 ms NAA Cho SVS TE=20 ms m. I Cr Cr NAA

Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Analyse en Composantes Principales des Métabolites Diagnostic différentiel Gliomatose / Gliome de bas grade Analyse en Composantes Principales des Métabolites SV TE=20 ms Cr/S GC Ins/S F 2 NAA/S NV Cho/S F 1 LGG

SRM CÉRÉBRALE EN 2007 VOXEL UNIQUE • 1995 : 2 x 2 = 8 SRM CÉRÉBRALE EN 2007 VOXEL UNIQUE • 1995 : 2 x 2 = 8 ml AT = 30 min. AT = 54 sec. STEAM 20 ms • 2007 : 1, 5 x 1, 5 = 3, 4 ml PRESS 40 ms

SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 2 D • Standard : matrice 21 x 21 SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 2 D • Standard : matrice 21 x 21 voxels voxel cylindrique : 5, 7 ml FOV 240 mm x 240 mm • Haute résolution : matrice 33 x 33 voxels voxel cylindrique : 1, 5 ml FOV 240 mm x 240 mm AT = 10 min. (d = 2, 1 cm h = 1, 5 cm) AT = 28 min. (d = 1, 1 cm h = 1, 5 cm)

SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 3 D (PEPSI) matrice 21 x 64 voxels AT SRM CÉRÉBRALE EN 2007 CSI 3 D (PEPSI) matrice 21 x 64 voxels AT = 10 min. voxel cylindrique : 2, 3 ml (d = 2, 1 cm h = 1, 5 cm) FOV 240 mm x 470 mm sélection de tranche sur 80 mm

Spectrométrie monovoxel -> 1 seul volume d’intérêt t t < 5 minutes Robuste Fiable Spectrométrie monovoxel -> 1 seul volume d’intérêt t t < 5 minutes Robuste Fiable Information spatiale limitée Imagerie métabolique -> plusieurs volumes d’intérêt t 10 minutes + (12 min pour 21 x 21 voxels de 5 ml) t Information spatiale plus importante

IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (1995) Capacité technique SRM Recherche IRM SRM Clinique IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (1995) Capacité technique SRM Recherche IRM SRM Clinique Facilité d'utilisation

IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (2007) Capacité technique SRM Recherche IRM SRM Clinique IRM et SRM : DIMENSIONS TECHNIQUES (2007) Capacité technique SRM Recherche IRM SRM Clinique Facilité d'utilisation

IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (1995) Impact diagnostique et thérapeutique IRM SRM Recherche IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (1995) Impact diagnostique et thérapeutique IRM SRM Recherche SRM Clinique Bénéfice pour le patient

IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (2007) Impact diagnostique et thérapeutique SRM Clinique IRM IRM et SRM : DIMENSIONS CLINIQUES (2007) Impact diagnostique et thérapeutique SRM Clinique IRM SRM Recherche Bénéfice pour le patient