Diffusion : Applications au cerveau

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1 Diffusion : Applications au cerveau 1. Connaître les principes 2. Comprendre l intérêt de la quantification 3. Reconnaître certains artéfacts Pr Catherine Oppenheim c.oppenheim@ch-sainte-anne.fr Département d Imagerie Morphologique et Fonctionnelle, Pr Meder, CH Sainte-Anne, PARIS

2 QCM 2012 Concernant l imagerie de diffusion (b=1000 s/mm 2 ), quelle est la proposition fausse? A. Un voxel dont la diffusion est élevée a un signal qui chute entre b=0 s/mm 2 et b=1000 s/mm 2 B. Est habituellement acquise par application des gradients de diffusion dans 3 directions de l espace C. Les artefacts de susceptibilité magnétique sont plus marqués dans le sens du codage de fréquence que dans le sens du codage de phase. D. Est une image pondérée en T2 E. Est habituellement couplée à une image sans gradient de diffusion

3 QCM 2012 Concernant l ADC, quelles sont les deux propositions vraies A. S exprime en mm/s B. Augmente quand les mouvements des molécules d eau sont restreints C. Est moins fiable si plus de deux valeurs de b sont utilisées D. Dans un milieu isotrope, Atténuation du signal = e -b.adc E. Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes.

4 Principes Séquence IRM T1 T2 T2 «rapide» Diffusion Pixel < 1 mm 2 Pixel : 6 mm 2

5 Séquence IRM Principes T2 Diffusion Signal du Liquide Cérébrospinal

6 Principes Qu est ce que la diffusion? Mouvements des molécules d eau

7 Principes Qu est ce que la diffusion? Mouvements des molécules d eau r 2 = 2Dt avec D = 10-3 mm 2 /s, t 100 msec équation d Einstein r quelques microns Effets de la diffusion sur le signal IRM [1] [1] Hanh. Phys res, 1950

8 Séquence de diffusion Echo TE/2 TE/2 G G b= 2 G 2 2 ( - /3)

9 Si proton immobile : déphasage = rephasage => signal inchangé Si proton mobile : déphasage Atténuation du signal (SA) Mouvements aléatoires Rephasage imparfait

10 Séquence de Diffusion Principes T2 Diffusion

11 Séquence de Diffusion Principes T2 Diffusion

12 Comment faire? b=0 s/mm 2 b=200 b=400 b=600 b=1000 diffusion élevée : hyposignal diffusion restreinte : hypersignal relatif b =1000 s/mm 2 b = 2 G 2 2 ( - /3)

13 Ln (Signal) Pente de la droite = Coefficient de Diffusion Principes SA = e- b.adc mm 2 /s mm 2 /s g Coeff. de Diffusion r 2 = 2Dt où D = mm 2 /s, T2 Diffusion

14 Mais Atténuation ne varie pas linéairement en fonction de b b faibles : diffusion rapide (perfusion capillaire ou microcirculation) = flow sensitive ADC b élevées : flow insensitive ADC (diffusion de l eau) Le Bihan et al. Separation of Diffusion and Perfusion in IntraVoxel Incoherent Motion MR Imaging. Radiology 1988

15 Gradients sup-inf Droite-gauche Post-antérieur Diffusion isotrope

16 Diffusion isotrope et anisotrope Principes Isotrope : mouvements identiques dans toutes les directions de l espace Anisotrope (Substance blanche) : Taille et densité des fibres Orientation cohérente des axones voxel isotrope voxel anisotrope

17 Le tenseur de diffusion Principes Voxel isotrope S Diff =S 0 e -bd Voxel anisotrope S Diff =S 0 e -b D D xx D xy D xz D = D xx D xy D xz D yx D yy D yz D zx D zy D zz référentiel [x, y, z] e 1 e 2 e 3 z y x D yy D yz D zz Diffusivité moyenne = ( )/3 = ADC vrai

18 Cartes d anisotropie Principes Anisotropie fractionnelle 0 = Isotropie 1 = Anisotropie FA 3 2 i λ i i λ λ 2 i 2

19 Tractographie 3D Principes [1] [1] [1] Melhem, AJR 2002

20 Principes Quelle séquence? Minimum : b directions Valeur de b : s/mm 2 6 directions 55 directions Durée : 40 à 1 heure 40 secondes b = 800 b = 2000

21 Comment Quand Pourquoi calcule t on l ADC? 21/44

22 Principes Séquence de DIFFUSION Signal dépend des mouvements des molécules d eau HYPO SIGNAL ADC élevé HYPER SIGNAL ADC bas 22/44

23 Hypersignal Diffusion ADC diminué T2-shine through T2 ADC T2 (b=0 s/mm 2 ) ADC

24 Si hypersignal T2/FLAIR et Diffusion + + Le calcul d ADC est indispensable!

25 Hyposignal Diffusion ADC augmenté T2- black-out ADC T2 T2 ADC 25/44

26 Diffusion Normale ADC normal T2 wash-out T2 ADC T2/FLAIR Diffusion ADC 26/44

27 Comment le calculer? Analyse visuelle des cartes d ADC Ratio d ADC +++ Pas de différences Dt/Gh entre régions «miroir» Pas différence Homme/femme Variation selon l âge Valeurs absolues (mm 2 /s) Si pas d ADC : Interprétation diffusion + T /44

28 La diffusion (ADC) diminue si Les cellules gonflent Œdème intracellulaire (ischémie) Hypercellularité Certaines tumeurs La viscosité augmente Abcès 28/44

29 La diffusion (ADC) diminue si Les cellules gonflent Œdème intracellulaire (ischémie) Hypercellularité Certaines tumeurs La viscosité augmente Abcès

30 La diffusion (ADC) diminue si Les cellules gonflent Œdème intracellulaire (ischémie) Hypercellularité Certaines tumeurs La viscosité augmente Abcès 30/44

31 La diffusion (ADC) diminue si Les cellules gonflent Œdème intracellulaire (ischémie) Hypercellularité Certaines tumeurs La viscosité augmente Abcès Œdème post critique

32 La diffusion (ADC) augmente si Eau extracellulaire Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale

33 La diffusion (ADC) augmente si Eau extracellulaire Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale

34 La diffusion (ADC) augmente si Eau extracellulaire Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale

35 La diffusion (ADC) augmente si Eau extracellulaire Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale * *

36 La diffusion (ADC) augmente si Eau extracellulaire Destruction tissulaire Gliose Démyélinisation Contenu liquidien Kyste arachnoïdien Nécrose tumorale

37 Concernant l ADC, quelle est la proposition vraie? 1 1. Sa baisse signe une ischémie artérielle 2. Est diminué dans une séquelle ischémique 3. Son calcul nécessite au moins 3 acquisitions à différentes valeurs de b. 4. Normal si le T2 et la diffusion sont normaux 5. Fiable même pour les petites lésions

38 Diffusion et Ischémie? Aigu 24-48h > 1-2 semaines Chronique temps

39 Concernant l ADC, quelle est la proposition vraie? Est diminué dans une séquelle ischémique

40 Concernant l ADC, quelle est la proposition vraie? 1 1. Sa baisse signe une ischémie artérielle 2. Est diminué dans une séquelle ischémique 3. Son calcul nécessite au moins 3 acquisitions à différentes valeurs de b. 4. Normal si le T2 et la diffusion sont normaux 5. Fiable même pour les petites lésions ischémique Ln Signal b =0 b =1000

41 Concernant l ADC, quelle est la proposition vraie? 1 1. Sa baisse signe une ischémie artérielle 2. Est diminué dans une séquelle ischémique 3. Son calcul nécessite au moins 3 acquisitions à différentes valeurs de b. 4. Normal si le T2 et la diffusion sont normaux 5. Fiable même pour les petites lésions ischémique Log signal ADC b=0 b=1000

42 5. ADC Fiable même pour les petites lésions ischémique FAUX 1 Log signal ADC b=0 b=1000

43 Pourquoi la substance grise est elle en hypersignal sur les images de diffusion? 2

44 Substance Grise et Blanche 2 Signal DIF Substance grise > Blanche ADC SG SB ( mm 2 /s) Dû à l hypersignal T2 de SG > SB

45 Comment éviter cet artéfact? 3

46 3 1. Impossible car c est une diffusion 2. Augmenter la matrice 3. Repositionner la tête du patient 4. Arrêt des mouvements du patient 5. Inverser PHASE et FREQUENCE

47 Imagerie Echo-planaire (EPI) 64 à 128 phases par TR L EPI est très sensible à la qualité de l encodage en phase (qui permet de réaliser le codage de la position des mesures) car l erreur s accumule au sein du train d acquisition qui est long.

48 Susceptibilité magnétique Séquence EPI single shot Erreur codage phase Artéfacts Artefacts plus marqués dans le sens du codage de phase 3

49 Susceptibilité magnétique Autres techniques d acquisition Si on tient à utiliser l écho-planar EPI + imagerie parallèle SENSE ou ASSET ( Bdw, TE) Cas 1 Cas 2 Remarque : Tout ce qui réduit le TE, réduit les artéfacts de susceptibilité magnétique car moins de déphasage Diffusion sans ASSET TE = 120 ms Diffusion avec ASSET TE = 86 ms antenne multicanaux

50 Quelle est la différence entre ces deux acquisitions?

51 Que s est il passé? Artéfacts 4 T2 : b=0 Diffusion ADC

52 Direction 1 Direction 2 Direction 3 4 Image moyennée

53 QCM 2012 Concernant l imagerie de diffusion (b=1000 s/mm 2 ), quelle est la proposition fausse? A. Un voxel dont la diffusion est élevée a un signal qui chute entre b=0 s/mm 2 et b=1000 s/mm 2 B. Est habituellement acquise par application des gradients de diffusion dans 3 directions de l espace C. Les artefacts de susceptibilité magnétique sont plus marqués dans le sens du codage de fréquence que dans le sens du codage de phase. D. Est une image pondérée en T2 E. Est habituellement couplée à une image sans gradient de diffusion

54 QCM 2012 Concernant l ADC, quelles sont les deux propositions vraies A. S exprime en mm/s B. Augmente quand les mouvements des molécules d eau sont restreints C. Est moins fiable si plus de deux valeurs de b sont utilisées D. Dans un milieu isotrope, Atténuation du signal = e -b.adc E. Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes.

55 Conclusion Fin du XX ème siècle Début du XXI ème siècle

56 Pour en savoir plus Tout organe. Cahier FMC, J Radiol. vol spécial diffusion Cerveau. EMC-Radiologie 2 (2005) (réactualisation 2013) Tenseur. J Radiol 2007;88: Pièges et artéfact. J Radiol ;87: