Diffusion Technique 1 Connatre les principes 2 Comprendre

Diffusion : Technique 1. Connaître les principes 2. Comprendre l’intérêt de la quantification 3. Reconnaître certains artéfacts Pr Catherine Oppenheim Département d’Imagerie Morphologique et Fonctionnelle, Pr Meder, CH Sainte-Anne, PARIS

QCM 2011 1. Concernant l’imagerie de 2. Concernant l’ADC, quelle diffusion, quelle est la proposition fausse ? – Les images de diffusion sont pondérées en T 2 – Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar – Est une imagerie des mouvements aléatoires des molécules d’eau – Les artefacts de susceptibilité sont plus importants dans le sens du codage de phase – A une excellente résolution spatiale est (sont) la (les) proposition (s) vraie (s) – Signifie Coefficient de Diffusion Apparent – Diminue quand les mouvements des molécules d’eau sont restreints – Est plus élevé dans le liquide cérébro-spinal – Est normal en l’absence d’anomalie de signal en T 2 et en diffusion (b=1000 s/mm 2) – Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes.

Principes Séquence IRM T 1 T 2 Pixel < 1 mm 2 T 2 « rapide » Pixel : 6 mm 2 Diffusion

Séquence IRM T 2 Signal du Liquide Cérébrospinal Principes Diffusion

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

Principes Qu’est ce que la diffusion ? • Mouvements des molécules d’eau • r 2 = 2 Dt équation d ’Einstein avec D = 10 -3 mm 2/s, t 100 msec r quelques microns • Effets de la diffusion sur le signal IRM [1] Hanh. Phys res, 1950

Séquence de diffusion 90° 180° Echo TE/2 G G b= 2 G 2 2( - /3)

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

Séquence de Diffusion T 2 Diffusion Principes

Séquence de Diffusion T 2 Diffusion Principes

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

Principes Pente de la droite = Coefficient de Diffusion Ln (Signal) SA = e-b. ADC 740. 10 -6 mm 2/s 380. 10 -6 mm 2/s lésion Tis su sai n Liq uid e Coeff. de Diffusion r 2 = 2 Dt où D = …… mm 2/s, T 2 Diffusion 10/26

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 Intra. Voxel Incoherent Motion MR Imaging. Radiology 1988

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

Diffusion isotrope et anisotrope – Isotrope : mouvements identiques dans toutes les directions de l’espace Principes voxel isotrope – Anisotrope (Substance blanche) : • Taille et densité des fibres • Orientation cohérente des axones e 2 e 1 e 3 voxel anisotrope

Principes Le tenseur de diffusion • Voxel isotrope SDiff=S 0 e-b. D e 2 e 1 Voxel anisotrope SDiff=S 0 e-b. D D= Dxx Dxy Dxz Dyx Dyy Dyz Dzx Dzy Dzz référentiel [x, y, z] e 3 Dxx 1 0 0 e 1 0 2 0 e 2 0 0 3 e 3 z Dxy Dxz Dyy Dyz x y Diffusivité moyenne = ( 1 + 2 + 3)/3 = ADC vrai Dzz

Cartes d’anisotropie Anisotropie fractionnelle 0 = Isotropie 1 = Anisotropie Principes

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

Principes Quelle séquence ? 6 directions 55 directions • Minimum : b 0 + 6 … 55 … 512 directions • Valeur de b : 0 … 10000 s/mm 2 • Durée : 40’’ à 1 heure 40 secondes b = 800 b = 2000

Comment Quand Pourquoi … calcule t’on l’ADC ? 20/44

Principes Séquence de DIFFUSION • Signal dépend des mouvements des molécules d’eau HYPO SIGNAL ADC élevé HYPER SIGNAL ADC bas 21/44

Hypersignal Diffusion ADC diminué T 2 -shine through ADC T 2 (b=0 s/mm 2) ADC 22/44

Si hypersignal T 2/FLAIR et Diffusion … + + Le calcul d’ADC est indispensable !

Hyposignal Diffusion ADC augmenté T 2 - black-out ADC T 2 ADC 24/44

Diffusion Normale ADC normal T 2 wash-out T 2/FLAIR Diffusion ADC 25/44

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 2 +++ 26/44

La diffusion (ADC) diminue si … • Les cellules gonflent – Œdème intracellulaire (ischémie) • Hypercellularité – Certaines tumeurs • La viscosité augmente – Abcès 27/44

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

La diffusion (ADC) diminue si … • Les cellules gonflent – Œdème intracellulaire (ischémie) • Hypercellularité – Certaines tumeurs • La viscosité augmente – Abcès 29/44

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

La diffusion (ADC) augmente si … • Eau extracellulaire • Destruction tissulaire – Gliose – Démyélinisation • Contenu liquidien – Kyste arachnoïdien – Nécrose tumorale 31/44

La diffusion (ADC) augmente si … • Eau extracellulaire • Destruction tissulaire – Gliose – Démyélinisation • Contenu liquidien – Kyste arachnoïdien – Nécrose tumorale 32/44

La diffusion (ADC) augmente si … • Eau extracellulaire • Destruction tissulaire – Gliose – Démyélinisation • Contenu liquidien – Kyste arachnoïdien – Nécrose tumorale 33/44

La diffusion (ADC) augmente si … • Eau extracellulaire • Destruction tissulaire – Gliose – Démyélinisation * • Contenu liquidien – Kyste arachnoïdien – Nécrose tumorale * 34/44

La diffusion (ADC) augmente si … • Eau extracellulaire • Destruction tissulaire – Gliose – Démyélinisation • Contenu liquidien – Kyste arachnoïdien – Nécrose tumorale 35/44

Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? 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 T 2 et la diffusion sont normaux 5. Fiable même pour les petites lésions 1

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

Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? 1 1. 2. Est diminué dans une séquelle ischémique

Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? 1. 2. 3. 4. 5. 1 Sa baisse signe une ischémie artérielle Est diminué dans une séquelle ischémique Son calcul nécessite au moins 3 acquisitions à différentes valeurs de b. Ln Signal Normal si le T 2 et la diffusion sont normaux Fiable même pour les petites lésions ischémique b =0 b =1000

Concernant l’ADC, quelle est la proposition vraie? 1. 2. 3. 4. 5. Sa baisse signe une ischémie artérielle Est diminué dans une séquelle ischémique Son calcul nécessite au moins 3 acquisitions à différentes valeurs de b. Normal si le T 2 et la diffusion sont normaux Fiable même pour les petites lésions ischémique 1 Log signal ADC b=0 b=1000

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

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

Substance Grise et Blanche • Signal. DIF Substance grise > Blanche – ADC SG SB (0. 76 0. 13 10 -3 mm 2/s) – Dû à l’hypersignal T 2 de SG > SB 2

Comment éviter cet artéfact ? 3

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

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.

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

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 antenne multicanaux Diffusion sans ASSET Diffusion avec ASSET TE = 120 ms TE = 86 ms

Artéfacts 4 Que s’est il passé ? T 2 : b=0 Diffusion ADC

Direction 1 Direction 2 Direction 3 4 Image moyennée

QCM 2011 1. Concernant l’imagerie de 2. Concernant l’ADC, quelle diffusion, quelle est la proposition fausse ? – Les images de diffusion sont pondérées en T 2 – Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar – Est une imagerie des mouvements aléatoires des molécules d’eau – Les artefacts de susceptibilité sont plus importants dans le sens du codage de phase – A une excellente résolution spatiale est (sont) la (les) proposition (s) vraie (s) – Signifie Coefficient de Diffusion Apparent – Diminue quand les mouvements des molécules d’eau sont restreints – Est plus élevé dans le liquide cérébro-spinal – Est normal en l’absence d’anomalie de signal en T 2 et en diffusion (b=1000 s/mm 2) – Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes.

QCM 2011 1. Concernant l’imagerie de 2. Concernant l’ADC, quelle diffusion, quelle est la proposition fausse ? – Les images de diffusion sont pondérées en T 2 – Elle repose habituellement sur une acquisition en écho planar – Est une imagerie des mouvements aléatoires des molécules d’eau – Les artefacts de susceptibilité sont plus importants dans le sens du codage de phase – A une excellente résolution spatiale est (sont) la (les) proposition (s) vraie (s) – Signifie Coefficient de Diffusion Apparent – Diminue quand les mouvements des molécules d’eau sont restreints – Est plus élevé dans le liquide cérébro-spinal – Est normal en l’absence d’anomalie de signal en T 2 et en diffusion (b=1000 s/mm 2) – Son calcul nécessite au minimum des acquisitions à deux valeurs de b différentes.

Conclusion Fin du XX ème siècle Début du XXI ème siècle

Pour en savoir plus • Tout organe. Cahier FMC, J Radiol. vol spécial diffusion. 2010. • Cerveau. EMC-Radiologie 2 (2005) 133 – 164 • Cerveau. J Radiol. 2007 Mar; 88: 428 -43 • Tenseur. J Radiol 2007; 88: 510 -20 • Piège et artéfact. J Radiol. 2006 ; 87: 1837 -47