Optimisation d un protocole d imagerie en tenseur de diffusion et tractographie du nerf médian à 3T chez des sujets sains.

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1 JFR 2010 Optimisation d un protocole d imagerie en tenseur de diffusion et tractographie du nerf médian à 3T chez des sujets sains. M. Ohana, T. Moser, S. Kremer, P.E. Zorn, P. Liverneaux, J.L. Dietemann CHU Strasbourg

2 Plan Introduction Matériels et Méthodes Résultats Discussion Conclusion Chaque lien est cliquable!

3 Introduction La tractographie est une technique IRM basée sur le degré d anisotropie des tissus. Elle permet de reconstruire in vivo le trajet des fibres nerveuses. Son utilisation est validée en routine clinique pour l imagerie des faisceaux nerveux centraux. Exemples de tractographie du SNC Ses applications en dehors du système nerveux sont rares et encore du domaine de la recherche.

4 Introduction Du fait de la configuration tubulaire des fibres nerveuses, les mouvements des fluides axonaux se font préférentiellement selon une direction. En réalisant plusieurs acquisitions pondérées en diffusion (valeur de b) selon différentes directions (nombre de directions), il est possible d utiliser cette propriété d anisotropie pour reconstituer le trajet des fluides endoneuraux, et donc du nerf. Au sein d une fibre nerveuse, les molécules d eau bougent selon une direction préférentielle, dictée par la configuration tubulaire de la fibre Des acquisitions répétées selon plusieurs directions (>6) permettront de retrouver cette orientation particulière Le logiciel utilisera ces orientations préférentielles pour reconstituer de proche en proche le trajet de la fibre nerveuse La mesure du degré d anisotropie d une région se fait par des indices, dont les plus usités sont l ADC (Apparent Diffusion Coefficient) et la FA (Fraction d Anisotropie).

5 Introduction Skorpil [1], 2004 : première publication sur la faisabilité de la tractographie des nerfs périphériques. Quelques études ont depuis confirmé la validité de la technique, et ont cherché des applications en pathologie : Hiltunen [2], 2005 : reconstruction tractographique des nerfs de l avant-bras et du creux poplité ; Meek [3], 2005 : reconstruction tractographique du nerf médian et proposition d application dans le suivi des régénérations nerveuses post-traumatiques ; Kabakci [4], 2007 et Yao [5], 2009 : mesures normatives des coefficients de diffusion au niveau du nerf médian ; Khalil [6], 2008 et Stein [7], 2009 : utilisation de la tractographie pour le diagnostic du syndrome du canal carpien.

6 Introduction Tous ces auteurs ont appliqué un protocole d acquisition empirique, calqué sur celui utilisé pour le système nerveux central. Une seule étude (Andreisek [8], 2008) a cherché à déterminer l influence de la valeur de b sur la qualité des reconstructions nerveuses. Dans le cadre de travaux sur le suivi par IRM des plaies nerveuses périphériques [9], nous avons mené cette étude préliminaire avec un double objectif : Etablir un protocole d acquisition optimal pour l imagerie par tractographie du nerf médian. Effectuer des mesures des différents coefficients d anisotropie et les comparer aux résultats de la littérature.

7 Matériels et Méthodes Nous avons choisi l étude du nerf médian au poignet, pour des raisons évidentes d accessibilité et de qualité d image. Nous avons utilisé : Une IRM 3T (Signa GE 2008) Une antenne dédiée poignet en réseau phasé à 8 canaux (Invivo ) Le logiciel de post-traitement Functool V4.4 (GE 2008) Notre étude a porté sur 14 volontaires sains.

8 Matériels et Méthodes 7 séquences ont été réalisées pour chaque témoin : - Une séquence morphologique axiale T1 ; - Des séquences faisant varier la valeur de b (500, 800, 1000 et 2000 s/mm²) ; - Des séquences faisant varier le nombre de directions (15, 20 et 30). Nous avons utilisé les paramètres d acquisition suivants : La durée totale d examen était d environ 45 minutes, installation en «Superman» comprise.

9 Matériels et Méthodes Le post-traitement comportait : Un volet de tractographie : reconstruction du trajet du nerf médian par essaimage à partir d une seule ROI proximale. Un volet quantitatif : mesures de l ADC et de la FA sur 4 niveaux de référence Avant-bras distal (muscle carré pronateur) Radio-ulnaire distale Canal carpien proximal (première rangée du carpe) Canal carpien distal (deuxième rangée du carpe). Temps de post-traitement moyen : environ 50 minutes par dossier.

10 Matériels et Méthodes Délimitation de la zone d essaimage : ROI proximale adaptée à la morphologie nerveuse. ROI de mesure des index d anisotropie, de taille plus petite que le nerf, mais restant supérieure à 4mm².

11 Matériels et Méthodes Le choix de la séquence optimale a reposé sur une appréciation subjective de la qualité des reconstructions tractographiques. Chaque séquence a été noté de manière indépendante par deux radiologues, selon une échelle visuelle allant de 0 à 5 : Les écarts inter-observateurs ont été évalués selon la méthode du kappa de Cohen. La variabilité des notes a été évaluée par un test non paramétrique (Wilcoxon), en comparant deux à deux chaque séquence avec celle ayant obtenue la moins bonne note (soit respectivement le b=2000 s/mm² et le 30 directions).

12 Matériels et Méthodes Les mesures de FA et d ADC ont été moyennées pour chaque témoin sur les trois séquences à b=1000 s/mm² (15, 20 et 30 directions). La variabilité des mesures entre les 4 étages a été évaluée par un test non paramétrique (Wilcoxon). Les résultats obtenus ont été comparés à ceux de la littérature.

13 Résultats Reconstruction du trajet du nerf médian possible : Chez tous les patients (aucune note < 2/5) Sur toutes les séquences Avec une qualité relative satisfaisante (note moyenne globale : 3.6/5). Témoin N 9 (H 30 ans) b directions Notes : 4 et 4 Témoin N 11 (F 28 ans) b directions Notes : 5 et 5 Témoin N 1 (F 20 ans) b directions Notes : 3 et 4

14 Résultats Variabilité inter-observateurs La mesure de l accord entre les deux radiologues a été obtenue par un calcul du coefficient kappa de Cohen, effectué pour chacune des 6 séquences. Séquence b500 15dir b800 15dir b dir b dir b dir b dir kappa 0,65 0,60 0,69 0,75 0,70 0,80 Le coefficient kappa est donc compris entre 0,6 et 0,8, ce qui signe un accord fort entre les deux investigateurs. L écart de point entre les notations des deux radiologues n a jamais été supérieur à un, et ce pour toutes les séquences.

15 Résultats Influence de la valeur de b Les notes obtenues par les 14 témoins ont été moyennées pour chaque séquence. L influence de la variation des valeurs de b se traduit par :

16 Influence du nombre de direction Résultats La moyenne des notes obtenues pour les 14 témoins, en fonction du nombre de direction, s agence ainsi :

17 Résultats Mesures des coefficients d anisotropie Valeurs moyennes de la FA : Site Avant-bras distal Radio-ulnaire distale Canal carpien proximal Canal carpien distal FA 0,68 0,67 0,55 0,54 p 0,97 0, , Valeurs moyennes de l ADC (x10-3 mm²/s) : Site Avant-bras distal Radio-ulnaire distale Canal carpien proximal Canal carpien distal FA 1,11 1,14 1,29 1,24 p 0,92 0,023 0,021

18 Résultats Mesures des coefficients d anisotropie Résultats de la littérature

19 Résultats Mesures des coefficients d anisotropie Résultats de la littérature

20 Discussion L imagerie du nerf médian par tractographie est : Possible Avec une qualité correcte pour tous les patients Et une bonne concordance anatomique. Les meilleurs résultats sont obtenus : Avec un b à 1000 s/mm² Et un nombre de directions à 20 Note moyenne de la séquence = 3,82/5 (VS 3.56/5 pour la moyenne des autre séquences)

21 Discussion La valeur optimale de b : Est concordante avec celle retrouvée par Andreisek [8], à 1025 s/mm². Est proche de celle utilisée en routine pour la tractographie du SNC ( ) Possibilité d utiliser des séquences très fortement pondérées en diffusion (b=2000) En gardant une qualité d image correcte Mais restant moindre que sur un b=1000 s/mm² Du fait de la trop importante chute du rapport signal/bruit Même à 3T et avec une antenne de surface. Possibilité d utiliser des séquences plus faiblement pondérées en diffusion (b=500) Mais avec une qualité d image un peu moins bonne Augmentation en effet du nombre de fibres aberrantes Sans gain significatif sur le temps d acquisition.

22 Discussion La valeur optimale du nombre de directions : Est différente de celle utilisée pour le SNC (32 à 64 directions). Est moindre du fait du trajet plus rectiligne des nerfs périphérique, sans croisement ni angulation brusque : pas de nécessité d une haute résolution angulaire. Résulte d un compromis entre qualité d image et temps d acquisition directions 20 directions 30 directions

23 Discussion Un nombre de directions moins élevé (15 directions) : Raccourci la durée d examen Mais dégrade modérément la qualité d image En augmentant le nombre de fibres aberrantes. Un nombre de directions trop élevé (30 directions) : N augmente pas la qualité d image Car entraîne un quasi doublement du temps d examen Avec donc majoration du flou cinétique.

24 Discussion L influence des valeurs du b et du nombre de directions sur la qualité d image est dépendante de la configuration anatomique, qui conditionne la difficulté de la tractographie. Chez un sujet présentant un nerf de gros calibre et rectiligne (tractographie «facile»), les variations de b et du nombre de directions ont une faible incidence sur la qualité d image, qui est bonne sur toutes les séquences. b dir b dir b dir

25 Discussion Chez un sujet présentant un nerf de de plus petit calibre ou sinueux (tractographie «difficile»), les variations de b et du nombre de directions ont une incidence plus nette sur la qualité d image. b500 15dir b dir b dir Il est ainsi justifié de chercher à optimiser au maximum les paramètres d acquisition.

26 Discussion Les valeurs mesurées de la FA : Sont dans les bornes très larges de ce que rapporte la littérature. En effet, les méthodes de mesure et le matériel sont très différents selon les études, ceci pouvant en partie expliquer cette importante disparité des valeurs. Nous retrouvons dans notre étude une diminution très significative des valeurs de la FA au niveau du canal carpien, en comparaison avec les valeurs mesurées au poignet. Ceci confirme les observations rapportées par Kabakci [4]. Par contre, ni Yao [5] ni Stein [7] n ont retrouvé ce phénomène.

27 Discussion Les valeurs mesurées de l ADC : Sont ici encore dans les bornes très larges de ce que rapporte la littérature. Pour probablement les mêmes raisons que précédemment. Nous retrouvons dans notre étude une augmentation significative des valeurs de l ADC au niveau du canal carpien, en comparaison avec les valeurs mesurées au poignet. Ceci confirme les observations rapportées par Yao [5]. Ce phénomène n a par contre pas été démontré par Kabakci [4] ou par Stein [7].

28 Discussion Limitations de notre étude Le faible effectif est la principale limitation de notre étude : On esquisse ainsi une tendance, avec une nette préférence pour les séquences à b = 1000 s/mm² et à 20 directions Sans cependant avoir la puissance statistique suffisante pour démontrer la significativité de cette constatation. Le logiciel utilisé est relativement peu développé, ne permettant notamment pas une fusion de bonne qualité entre les images anatomiques et les reconstructions tractographiques. La grande variabilité des méthodes de mesure et la disparité des résultats entre les différentes études ne nous permet pas de comparer nos valeurs de FA et d ADC à de vraies références.

29 Discussion Perspectives La tractographie du nerf périphérique est possible. L optimisation des paramètres d acquisition augmente la qualité et la constance des reconstructions. Des applications pourraient être envisagées : Suivi de la repousse nerveuse après section traumatique Reconstruction tridimensionnelle pour planification opératoire (plexus brachial) Evaluation d une récupération morphologique après chirurgie nerveuse Diagnostic positif des neuropathies.

30 Conclusion Le nerf périphérique est accessible à la tractographie, sous certaines conditions techniques. La meilleure qualité est obtenue avec un b = 1000 s/mm² et un nombre de directions à 20. L augmentation du nombre de directions n améliore pas la qualité des reconstructions, mais majore nettement le temps d acquisition. Notre étude prouve une diminution de la FA et une augmentation de l ADC au niveau du canal carpien, par rapport au poignet. Les valeurs des coefficients d anisotropie présentent dans notre expérience une trop grande variabilité pour pouvoir en espérer une utilisation diagnostique.

31 Bibliographie [1] M. Skorpil, M. Karlsson, A. Nordell - Peripheral nerve diffusion tensor imaging - Magnetic Resonance Imaging 22 (2004) [2] J. Hiltunen, T. Suortti, S. Arvela, M. Seppa, R. Joensuu, R. Hari - Diffusion tensor imaging and tractography of distal peripheral nerves at 3 T - Clinical Neurophysiology 116 (2005) [3] M. F. Meek, M. W. Stenekes, H. M. Hoogduin, JP. A. Nicolai - In vivo three-dimensional reconstruction of human median nerves by diffusion tensor imaging - Experimental Neurology 198 (2006) [4] N. Kabakci, B. Gürses, Z. Firat, A. Bayram, A. M. Ulug, A. Kovanlkaya, I. Kovanlkaya - Diffusion Tensor Imaging and Tractography of Median Nerve: Normative Diffusion Values American Journal of Radiology 189 (2007) [5] L. Yao, N. Gai - Median nerve cross-sectional area and MRI diffusion characteristics : normative values at the carpal tunnel - Skeletal Radiology 38 (2009) [6] C. Khalil, C. Hancart, V. Le Thuc, C. Chantelot, D. Chechin, A. Cotten - Diffusion tensor imaging and tractography of the median nerve in carpal tunnel syndrome: preliminary results - European Radiology 18 (2008) [7] D. Stein, A. Neufeld, O. Pasternak, M. Graif, H. Patish, E Schwimmer, E. Ziv, Y. Assaf - Diffusion Tensor Imaging of the Median Nerve in Healthy and Carpal Tunnel Syndrome Subjects Journal Of Magnetic Resonance Imaging 29 (2009) [8] G. Andreisek - Diffusion Tensor Imaging and Fiber Tractography of the Median Nerve at 1.5 T: Optimization of b-value RSNA 2008 [9] M. Ohana, T. Moser, P. Liverneaux, A. Moussaoui, S. Kremer, JL Dieteman MR and US imaging of nerve section following surgical repair using a synthetic scaffold : preliminary clinical study RSNA 2010

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