IRM de perfusion/ventilation sans produit de contraste

JFR 2009
IRM de perfusion/ventilation sans
produit de contraste
J Dinkel1, G Bauman2, M Puderbach1, M Deimling3, V Jellus3,
C Chefd’Hotel4, C Hintze1, HU Kauczor5, L Schad6
1German
Cancer Research Center, Dept. of Radiology, Heidelberg, Germany
2German Cancer Research Center, Dept. of Medical Physics in Radiology, Heidelberg, Germany
3Siemens Healthcare, Erlangen, Germany
4Siemens Corporate Research, Princeton, USA
5University Hospital Heidelberg, Dept. of Radiology, Heidelberg, Germany
6Computer Assisted Clinical Medicine, Univ. of Heidelberg, Mannheim, Germany
Introduction
• La mesure de la perfusion et de la ventilation pulmonaire régionale a une
valeur clinique remarquable dans le diagnostique et le suivi thérapeutique de
nombreuses pathologies.
• L‘imagerie fonctionnelle du poumon est le domaine de prédilection de la
médecine nucléaire (scintigraphie de perfusion et de ventilation).
• L’IRM joue actuellement un rôle marginal dans l’étude de la fonction
pulmonaire. L’IRM de ventilation en particulier, nécessite des moyens couteux
et complexes (hélium polarisé) incompatibles avec les contraintes cliniques
des services de radiologie.
• Nous présentons une technique novatrice d’imagerie fonctionnelle pulmonaire
par IRM sans utilisation de produit de contraste intraveineux ou gazeux.
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Objectif
Ö établir des cartes de perfusion / ventilation pulmonaire
•
•
•
•
•
•
en respiration libre
en quelques minutes
sans synchronisation ECG
sans produit de contraste intraveineux
sans gaz hyperpolarisé
avec une IRM 1,5 Tesla
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Imagerie du parenchyme pulmonaire
L’imagerie du parenchyme pulmonaire à l’IRM 1,5T est particulièrement
laborieuse :
• La densité en proton est très faible : ~ 0.2 g/cm3
• La succession d’interfaces air-tissu génère des artefacts de susceptibilité
• Les mouvements d’origine respiratoire et cardiaque posent des problèmes
d’acquisition
• Les temps de relaxation du parenchyme pulmonaire compliquent
l’utilisation de séquences en échos de gradient:
T2*: 1-2 ms
T2: 30-80 ms
T1: 1100-1500 ms
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Imagerie du parenchyme pulmonaire
• Une séquence TrueFISP-2D a été optimisée afin d’obtenir du signal du
parenchyme pulmonaire:
• TR/TE=1,9 ms/0,8ms
• Imagerie parallèle (GRAPPA 3)
• Echos courts et asymétriques
• Matrice 96 x 128 pixels
• Épaisseur de coupe= 1,5 mm
• TA/ image= 112 ms
• Pause de 220 ms avant
l’acquisition suivante
Relation entre le temps d‘écho et l‘intensité du
signal du parenchyme pulmonaire.
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Matériel et méthodes
• Cette séquence TrueFISP a été répétée 198 fois à la vitesse de 3,3 images/s.
• Un plan de coupe coronal et sagittal ont été sélectionnés.
• L’étude a été effectuée sur une IRM Avanto (Siemens).
• Une mesure de l’intensité du signal du parenchyme au niveau l’apex
pulmonaire en fonction du temps permet d’observer des variations
périodiques.
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Matériel et méthodes
• Pour analyser les variations du signal en fonction du temps sur l’ensemble du
•
poumon, les images ont été recalées entre elles avec un algorithme de
registration non rigide.
Les mouvements cardiaques et respiratoires ont ainsi été neutralisés.
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Matériel et méthodes: recalage non rigide
Le mouvement respiratoire a été annulé par
recalage automatique non rigide optimisé
pour le poumon [1].
La soustraction d’une image non recalée
avec l’image de référence (a) montre une
discordance importante au niveau du
diaphragme et des artères pulmonaires.
L’image (b) représente une soustraction
d’une image recalée avec l’image de
référence.
La figure (c) montre les vecteurs de
déformation appliqués sur un set d’images
pendant le processus de recalage.
c
1 Chefd’hotel C et al. Proc. of the IEEE International Symposium on Biomedical
Imaging (ISBI’2002)
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Matériel et méthodes
• Après recalage des images, une analyse du signal pulmonaire en fonction du
temps est possible sur l’ensemble du poumon et laisse apparaître un signal
périodique ayant 2 composantes:
• une composante lente correspondant à un changement de signal lié
à la respiration.
• une composante rapide correspondant à une évolution du signal liée
à la perfusion pulmonaire.
ROI lung
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Matériel et méthodes
• Ce signal périodique est analysé avec une transformée de Fourier. Après
filtrage dans le domaine temporel (auto-corrélation du Signal, filtre de Hann,
zero-filling), 2 pics spectraux correspondant à la fréquence cardiaque et
respiratoire sont isolés.
ventilation
0.25 Hz
FFT
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perfusion
0.95 Hz
Matériel et méthodes: analyse spectrale
• Une transformation de Fourier inverse permet de construire des images
fréquentielles. Les deux pics spectraux correspondants à la fréquence
cardiaque et respiratoire sont ainsi isolés afin de calculer des images
pondérées « ventilation » et « perfusion ».
Spectre
ventilation
0.25 Hz
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Spectrogramme
perfusion
0.95 Hz
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Image fréquentielle
Resultats: volontaires sains
• Cette technique a été employée avec succès sur 12 sujets sains.
• Les changements d’intensité causés par la respiration et les pulsations
sanguines étaient respectivement de 15.1 ± 4.6% et de 7.3 ± 1.8%.
• Le rapport signal bruit moyen des images de perfusion et de ventilation était
respectivement de 95.1 ± 13.6 et de 213.9 ± 88.3.
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Resultats: volontaires sains
Images pondérées “ventilation” (a, c) et “perfusion” (b, d) obtenues par transformée de Fourier
inverse centrée sur les fréquences cardiaques et respiratoires.
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Resultats: exemple clinique I
Patiente de 27 ans ayant présenté plusieurs épisodes de dyspnée douloureuse. Une embolie
pulmonaire unilatérale intéressant le poumon droit est visualisée à l'IRM (a). L'image fonctionnelle
pondérée “perfusion” (c) montre de larges défauts de perfusion dans les lobes supérieurs et
inférieurs droits (flèches), alors que l'image pondérée “ventilation” (b) ne montre pas d'altération du
signal. Le diaphragme est indiqué en jaune.
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Resultats: exemple clinique II
Scanner
IRM de perfusion avec injection
de produit de contraste
Image pondérée
perfusion
Image pondérée
ventilation
Scanner (a, d) d'un patient avec une destruction du parenchyme pulmonaire dans le lobe inférieur
droit. Le défaut de perfusion est clairement démontré dans l'IRM avec produit de contraste (b, e)
ainsi que dans l'image obtenue par décomposition de Fourier (c).
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Resultats: exemple clinique III
Comparaison d'une carte fonctionnelle de perfusion obtenue après injection de produit de
contraste (a) et par décomposition spectrale de Fourier (b) d'un patient souffrant de BPCO avec
des défauts de perfusion dans les lobes supérieurs du poumon.
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Conclusion
• L’analyse spectrale du signal permet de séparer 2 pics spectraux. Les images
correspondantes sont pondérée en « perfusion » et « ventilation »
• Cette méthode IRM de perfusion/ventilation sans produit de contraste est
élégante, ne nécessite aucune synchronisation ECG et s’effectue en
respiration libre.
• Des défauts de perfusion et de ventilation sont ainsi susceptibles d’être
visualisés grâce à cette méthode.
• Cette méthode doit être évaluée et comparée avec les méthode d’imagerie de
médecine nucléaire qui demeurent le « gold standard » actuel. Des études
précliniques et cliniques (patients BPCO) sont en court.
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Remerciements
European Union “Marie Curie Research Training Networks PHeLINet” Polarized Helium Lung Imaging Network www.phelinet.eu
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