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 Méder, CH Sainte-Anne, INSERM 894, PARIS

2 Concernant la séquence de diffusion (QRM)? A.Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar B.Elle est habituellement acquise après injection de Gadolinium C.Elle est peu sensible aux artefacts de susceptibilité magnétique D.Elle est insensible aux mouvements E.Est acquise par application de deux lobes de gradients placés de part et d autre du pulse de 180 d une séquence en spin écho

3 Concernant l imagerie de diffusion (b=1000 s/mm 2 ), QRM 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

4 Concernant l ADC, quelles sont la (les) proposition(s) vraie (s) A. S exprime en mm 3 /s B. Diminue quand les mouvements des molécules d eau sont restreints C. Son calcul nécessite une acquisition pondérée en T1 D. Dans un milieu isotrope, atténuation du signal = e -b.adc E. Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à 3 valeurs de b différentes

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

6 Séquence IRM Principes T2 Diffusion Signal du Liquide Cérébrospinal

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

8 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

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

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

11 Séquence de Diffusion Principes T2 Diffusion

12 Séquence de Diffusion Principes T2 Diffusion

13 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)

14 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

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 Voxel isotrope S Diff =S 0 e -bd Le tenseur de diffusion Principes 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 λ i 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 C Poupon, Neurospin

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

23 Hypersignal Diffusion ADC bas T2-shine through ADC T2 T2 (b=0 s/mm 2 ) Diffusion (b=1000 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

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

27 Blown-up cells Intracellular edema (ischemia) Creutzfeldt-Jakob Status epilepticus High cell density lymphoma, medullobastoma/pnet High viscosity Abces When is ADC decreased? Epidermoid cyst

30 Blown-up cells Intracellular edema (ischemia) Creutzfeldt-Jakob Status epilepticus High cell density Lymphoma medullobastoma/pnet High viscosity When is ADC decreased? Abces Epidermoid cyst

34 When is ADC increased? Extracellular edema Tissular destruction Gliosis Demyelination Liquid content arachnoïd cyst Tumor necrosis

38 When is ADC increased? Extracellular edema Tissular destruction Gliosis Demyelination Liquid content Arachnoïd cyst Tumor necrosis * *

39 When is ADC increased? Extracellular edema Tissular destruction Gliosis Demyelination Liquid content Arachnoïd cyst Tumor necrosis

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

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

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

43 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

44 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

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

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

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

48 Pourquoi ne voit on pas les enveloppes graisseuses en diffusion? T2 (b=0 s/mm 2 ) Diffusion (b=1000 s/mm 2 ) Pour limiter les arterfacts de deplacements chimiques, les sequences commerciales utilisent toutes une methode de suppression de graisse.

49 Comment éviter cet artéfact? 3

50 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

51 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.

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

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

54 Quelle est la différence entre ces deux acquisitions?

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

56 Direction 1 Direction 2 Direction 3 4 Image moyennée

57 Concernant la séquence de diffusion (QRM)? A.Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar B.Elle est habituellement acquise après injection de Gadolinium C.Elle est peu sensible aux artefacts de susceptibilité magnétique D.Elle est insensible aux mouvements E.Est acquise par application de deux lobes de gradients placés de part et d autre du pulse de 180 d une séquence en spin écho Réponse A, E

58 Concernant l imagerie de diffusion (b=1000 s/mm 2 ), QRM 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 Réponse A, B, D, E

59 Concernant l ADC, quelles sont la (les) proposition(s) vraie (s) A. S exprime en mm 3 /s B. Diminue quand les mouvements des molécules d eau sont restreints C. Son calcul nécessite une acquisition pondérée en T1 D. Dans un milieu isotrope, atténuation du signal = e -b.adc E. Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à 3 valeurs de b différentes Réponse B, D

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