IRM fonctionnelle cérébrale BOLD - sfrnet.org · [email protected] CHU Grenoble / UJF –France IRM fonctionnelle cérébrale BOLD Vers l’âge de raison Alexandre Krainik

CHU Grenoble / UJF – [email protected]

IRM fonctionnelle cérébrale BOLDVers l’âge de raison

Alexandre Krainik

Clinique Universitaire de Neuroradiologie et IRM, CHU Grenoble, Grenoble – France

Inserm U836 – Grenoble Institut des Neurosciences, Grenoble – France

CHU Grenoble – SFR 1

CHU Grenoble / UJF – [email protected] CHU Grenoble / UJF – France

ACTION

REST

Cantin, EMC 2011


• Susceptibilité magnétique χ

– Proportion de « tissu magnétisé » sous B0 : ΔB = χ B0

– Gradient de champ entre tissus

• [dHb] modifie la SM du sang = contraste endogène– Composante intra-vasculaire

– Composante extra-vasculaire

Bases physiologiques du signal BOLD

B0

Ogawa, MRM 1990

dHb HbO2

B0



• Activité neuronale variation [dHb]

• Réponse métabolique

• Glycolyse

• (CMRGlc): +20-40%

• CMRO2

• Délai : <1 sec

• [dHbart ] = 0% [Hbtot]

• CMRO2 = +40% [dHbven] = 40% [Hbtot]

• Réponse hémodynamique

• Délai : >1 sec

• ↑ débit sanguin cérébral (DSC) : +20-70%

• ↑ volume sanguin cérébral (VSC) : +5-30%

Iadecola, Nat Rev Neurosci 2004

Couplage neurovasculaire


CMRO2

Neural activity

BOLD signal

[dHb]vox

OEF

Cerebralblood flow

arteriolar

Neurovascular coupling

Cerebral bloodvolume

venular

Post-stimulusundershoot

Sig

nal

BO

LD

[%

]

Time [s]

1

2

3

0

-1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Post-stimulus undershoot

Plateau

Plateau

Initial dip

Initial dip

a/c/v: 21/33/46% Harrison, 2002

CBVCMRO2

CBFBOLD



• BOLD : relation linéaire avec B0 … 1-5%

– ≥ 1.5T

• Res. Contraste : sensibilité [dHb]

– T2*-EG > T2-SE

• TE : 30-50 msec

• + : temps d’acquisition, faible diffusion

• - : perte de signal à la base du crâne

• Res. Temporelle : secondes…

– EPI, spiral,…

• [TR : 2000-5000 msec] x n

• + : temps d’acquisition

• - : distorsion spatiale

• Res. Spatiale : < 1cm ?

– Vox : 2-4 mm de coté

– Matrice : 64²-1282

Cantin, EMC 2011

Repos Action

Acquisition : cahier des charges


Krainik, in Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

Image Processing in Clinical Practice

No cognitive

baseline

No MR signal

absolute

quantification

Cognitive

substractionLow SNR

Repeated

measures

Block

designed

paradigm

Statistical

analysis


Krainik, Neurology 2001


• PET Ramsey, JCBF 1996

• MEG Stippich, Neuroreport 1998

• Stimulations electriques per-opératoires Lehericy, J Neurosurg 2000

• Wada test Hertz-Panier, Neurology 1997

• Lesions de l’AMS Krainik, Neurology 2001; Krainik, Neurology 2003; Krainik, Neurology 2004

• Intervale de 1 cm autour du COM Bartos, Acta Neurochir 2009

• Reproductibilité intra-sujets et inter-centres Zou, Neuroimage 2005

Résultats validés et reproductibles


Preoperative Mapping: Neurooncology

Krainik, in Surgery of Low Grade Gliomas, Springer-Verlag in press


• Neurooncology

• Epilepsy

• Stroke

• Coma,…

• Preoperative mapping

to avoid persistent

neurological deficit

• Better understand

clinical impairment to

improve rehabilitation

Main Clinical Applications



Preoperative Mapping: Neurooncology

L Toes L Fingers Lips Speech


RH(n=72)

LH(n=26)

Ambid.(n=2)

In line with WADA Risse Brain Cogn 1997, Woermann Neurology 2003

N=100 Left Pred. Right Pred. Bilat.

Right Handed

(72%)

80% 10% 10%

Left Handed (26%) 73% 15% 12%

Ambidextre (2%) 50% - 50%

Pharmaco resistant Epilepsy: 100 pts in Grenoble

Preoperative Mapping: Epilepsy


fMRI changed surgical management in 21% patients

Surgery

fMRI Awake surgery (9 pts) fMRI No surgery (12 pts)

Preoperative Mapping: Epilepsy


Les résolutions

temporelles et

spatiales de l’IRMf

n’ont rien à voir avec

celles de l’activité

neuronale

L’IRMf ne cartographie

pas l’activité neuronale

directement

• Validation de la procédure

• Qualité et position des images

• Surveillance des performances

• Réduire les mouvements de la tête

• Evaluer les modifications de la perfusion

L’IRMf cartographie

les variations

fonctionnelles

d’oxygénation et de

perfusion cérébrale

Points-clés de l’interprétation de l’IRMf BOLD


• Paradigmes et analyses validés

• Artéfacts de susceptibilité magnétique

• Exécution de la tâche

• Mouvements

• Fonction de perfusion

Critères de qualité d’une IRMf


Krainik, Brain Mapping , Springer-Verlag 2011

• Orbito-frontal, temporo-basal

• Ca++, hemorraghe, bone, drill, …

• Cavernoma, necrotico-hemorragic tumor, post-op,…

Kim, AJNR 2005

SM Artifacts


SM Artifacts

Precentral cavernoma: signal loss


SM Artifacts

Post-surgical seizures:Lips movements

T2*EG

T2 SE : - sensitive to MS and BOLD !


Parasites, spikes,…

Translation

BOLDDyn 100

Dyn 132


1. Paradigmes et analyses validés

2. Artéfacts de susceptibilité magnétique

– Visualisation des T2* natives

– Superposition des activations sur les natives

3. Exécution de la tâche

4. Mouvements

5. Fonction de perfusion






– Explication des tâches avant l’examen

– Re-explication des tâches pendant l’examen

– Renforcement positif

– Etude comportementale

– IRMf temps-réel

4. Mouvements







• Mouvements




Mouvements périodiques





4. Mouvements

– Explication

– Contention

– Confort

– Prévenir avant chaque dialogue

– Post-traitement







• Mouvements




OEF

dHb

T2* (BOLD)

CMRO2

Neural

activity

venular

venular

pressure

CBV

a/c/v: 21/33/46% Harrison, 2002

Resp

O2CO2

CVR

arteriolar

CBF

NVC

MTT

perfusion

pressure

arterial

pressure

AR

Intracranial

pressure


Krainik, Stroke 2005

Vasoréactivité cérébrale


Preop

Lèvres

Preop

Hypercapnie

Postop

Hypercapnie

Postop

Lèvres




Jiang, Neuroimage 2010



EEG X

BOLD

modéliséActivation

Déactivation

F. Grouiller, O David – GIN

Perspectives : IRMf-EEG


p<0.01 (FDR)

Grouiller, HBM 2009

Epilepsie absence

Perspectives : IRMf-EEG optimisation de la HRF


Murphy, Neuroimage 2013

Resting state: BOLD MRI





4. Mouvements


1. Perfusion basale

2. Vasoréactivité cérébrale



• D’un problème vers une solution (serendipity)

• IRMf évaluer la réponse de perfusion à un stimulus vasomoteur

• Cartographier le couplage neurovasculaire

• Cartographier la vasoréactivité cérébrale en clinique

– Pathologie sténo-occlusive

– Neuro-oncologie

– Epilepsie

– Pathologie neurodégénérative,….

Perspectives : vers l’IRMf de perfusion


Femme 42 ans

AVC jonction ACA-ACM

SIAS ACIg Méningiome s. caverneux

MTT CBF

CVRCBV

↓PP

(↑MTT)

CBF ≈ cste

↑ CBV

CVR

SIAS

AR

Réserve ?

IAS


• 19 IAS: 3,6 years follow-up

• 8/19 (42%) LI CVRMCA > 0.08 6/8 recurrent ipsilateral ischemic within Y1

• 11/19 LI CVRMCA < 0.08 1/11

IAS


Etude des modifications physio-pathologiques : AVC

Attyé Hum Brain Map 2013


Perfusion basale Vasoréactivité

AD

Doppler Trans-crânienApnée

Silvestrini, Stroke 2006

Xenon CTAcetazolamide

Oishi, J Clin Neurosci 1999

ASL

Johnson, Radiology 2005

ASL

Du, Neurology 2006

Etude des modifications physio-pathologiques : Alzheimer


Vasoréactivité BOLD PVC+

Cantin, Neuroimage 2011

IRMf de perfusion M. Alzheimer

Cingulum Frontal Insula Occipital Parietal Striatum Temporal Thalamus

MMSE 0.65 (<0.001)* 0.53 (<0.01) 0.58 (<0.01) 0.64 (<0.001) 0.60 (0.001) 0.63 (<0.001) 0.65 (<0.001) 0.59 (0.001)

Hippocampal atrophy -0.41 (0.04) -0.26 (0.19) -0.29 (0.14) -0.44 (0.02) -0.40 (0.04) -0.41 (0.03) -0.44 (0.02) -0.30 (0.13)

Coefficient de corrélation


Vasoréactivité BOLD (CVP-)

IRMf de perfusion M. Alzheimer

Cantin, Neuroimage 2011


• Consider BOLD fMRI as it is, a functional imaging technique

– Map functional change in perfusion and oxygenation to particular stimuli

– Pros and cons of functional stimulus: relevance, perception, performance

– Pros and cons of this imaging technique: resolutions, artifacts

• To be useful in medicine, remain a radiologist

– Knowledge in medicine

– Knowledge in anatomy

– Knowledge in pathophysiology

– Knowledge in imaging

– Knowledge in postprocessing

– Master examination workflow

• Don’t stay alone and ask for help and advices

Take Home Messages - 1


• Be always aware of fMRI biophysical and technical limitations

• fMRI may be helpful for preoperative mapping to avoid permanent

neurological deficit

• In refractory epilepsy, fMRI may change surgical management in

20% patients

• fMRI may be helpful to better understand clinical impairment and

improve rehabililitation

• EEG-fMRI remains WIP

• fMRI of perfusion is helpful in clinical practice for diagnosis and fMRI

• To be useful in medicine, remain a radiologist with medical and technical skills

Take Home Messages - 2


• Neuroradiology – IRMaGe– Sylvie Grand, Arnaud Attye, Florence

Tahon, Kamel Boubagra, Adrian Kastler, Olivier Heck

– Irène Troprès, Laurent Lamalle, Emilie Cousin, Eric Condamine, Assia Jaillard

– Johann Pietras, Technicians

• Neurosurgery– Dominique Hoffmann, Eric Seigneuret,

Olivier Palombi, Stephan Chabardes, Emmanuel Gay

• Neurology– Olivier Moreaud, Laurent Vercueil,

Lorella Minotti, Philippe Kahane, Olivier Detante, Olivier Casez,…

• Grenoble Institute of Neuroscience– Jan Warnking, Emmanuel Barbier,

François Estève

• Clinatec …– Alim-Louis Benabid

Colleagues


Thank you for your attention

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