Nouvelles séquences IRM à TE ultra-court pour l'analyse structurelle et quantitative de ménisques de cadavres.
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Nouvelles séquences IRM à TE ultra-court pour l’analyse structurelle et quantitative de ménisques de cadavres. Patrick Omoumi1,2, Jiang Du1, Won Bae1, Sheronda Statum1, Dick Znamirowski1, Darryl D’Lima4, Graeme Bydder1, Christine Chung1,3 1 – University of California, San Diego Department of Radiology 2 – CHU de Tours, Imagerie médicale 3 – VA Healthcare System, San Diego 4 – Shiley Clinical Orthopedic Research and Education (SCORE) Travail réalisé avec la participation de la SFR (bourse de recherche attribuée à P.Omoumi)
Concepts récents en imagerie musculosquelettique 1/Evaluation morphologique vs. biochimique • L’imagerie musculo-squelettique reste principalement basée sur une analyse morphologique des structures, à l’échelle macroscopique. Pour prendre l’exemple du cartilage, la sensibilité de l’IRM et du scanner pour la détection des lésions cartilagineuses n’est bonne que pour les grades élevés, correspondant à des pertes de substance cartilagineuses. • Les efforts de recherche récents s’orientent vers une cible biochimique, afin de détecter la pathologie au stade microscopique, potentiellement réversible. Pour reprendre l’exemple du cartilage, il s’agit du T2 mapping permettant d’évaluer le collagène, et du T1rho et du dGEMRIC permettant d’évaluer les glycosaminoglycanes (GAG). Schéma de l’architectur e cartilagineu se. Jaune: collagène, orange: Imagerie morphologique Imagerie biochimique GAG
Concepts récents en imagerie musculosquelettique 2/Prise en compte des propriétés tissulaires: tissus à T2 court: séquences à TE courts • Les séquences d’IRM ont classiquement été développées pour le tissu cérébral. Or, les propriétés des tissus musculo-squelettiques sont très différentes de celles du tissu cérébral. Tendons, ligaments, ménisques, et os apparaissent donc vides de signal sur les séquences conventionnelles (du fait de leur T2 très court). • Une approche prenant en compte ces propriétés tissulaires a permis le développement de séquences à TE court, permettant de visualiser les tissus du système musculo-squelettique.
Concepts récents en imagerie musculosquelettique 2/Prise en compte des propriétés tissulaires: tissus à T2 court: séquences à TE courts Couche calcifiée du Coupe correspondante cartilage articulaire sur en séquences UTE une séquence en (ultra short TE): la densité de proton, couche calcifée du apparaissant en cartilage est en hyposignal hypersignal
Concepts récents en imagerie musculosquelettique 2/Prise en compte des propriétés tissulaires: tissus à T2 court: séquences à TE courts UTE T1 Tendon d’Achille T1 UTE Os cortical
Concepts récents en imagerie musculosquelettique 3/Ne pas limiter l’arthrose à une maladie du cartilage Rôle du ménisque dans la pathologie dégénérative du genou Lésion méniscale aiguë 6 mois après méniscectomie L’atteinte méniscale à l’IRM est un facteur prédictif important d’une perte cartilagineuse rapide (30 mois) Roemer et al., Tibiofemoral Joint Osteoarthritis: Risk Factors for MR-depicted Fast Cartilage Loss over a 30-month Period in the Multicenter Osteoarthritis Study. Radiology 2009
Structure méniscale • Fonction du ménisque: transmettre et distribuer les forces entre le fémur et le tibia. • Structure méniscale: complexe, variations régionales • 2 zones: zone rouge vascularisée, white zone blanche avasculaire • 2 types de tissues: fibrocartilagineux/ fibreux • 2 composants principaux de la matrice: collagène et GAG • 2 types de collagène (I et II), dont la distribution varie • 4 types d’orientation des fibres de collagène.
zone rouge / zone blanche Hauger, O. et al., 2000. Characterization of the "red zone" of knee meniscus: MR imaging and histologic correlation. Radiology, 217(1), 193-200.
2 principales composantes de la MEC: Collagène et GAG • Collagène I+++ (portion fibreuse) * * • Collagène II (cartilage hyalin, portion fibrocartilagineuse) K Messner et J Gao, “The menisci of the knee joint. Anatomical and functional characteristics, and a rationale for clinical treatment,” Journal of Anatomy 193 (1998): 161-178.
2 principales composantes de la MEC: Collagène et GAG 2% 8% Les GAG sont distribuées de manière non uniforme au sein du ménisque. K Messner et J Gao, “The menisci of the knee joint. Anatomical and functional characteristics, and a rationale for clinical treatment,” Journal of Anatomy 193 (1998): 161-178.
4 types d’orientation des fibres de collagène Lamella Radiaires Circonférencielles Peterson W, Tillmann B, Collagenous fibril Bullough PG, Menuera L, Murphy J, Weinstein A, texture of the human knee joint menisci, The Strength of the Menisci of the knee as it relates Anat Embroyol 1998, 197: 317-324 to their fine structure, Journal of Bone and Joint Surgery, 52 B, 1970 564-570
Imagerie quantitative du ménisque Challenge: • T2 du ménisque court (4~8 ms), difficile à obtenir avec les séquences classiques • D’où l’intérêt des séquences UTE
Imagerie à TE ultra-court (UTE) Rend Visible l’invisible • Invisible = les composants à T2 court des tissues • Couche calcifiée du cartilage articulaire • Ménisques • Périoste
Bases des séquences UTE Transverse Magnetization Decay L’acquisition se fait à quelques microsec, alors que le signal des tissues à T2 court n’a Magnétisation pas encore disparu, par rapport à quelques millisec totale pour les séquences ocnventionnelles. Composants à T2 longs Composants à T2 courts Microsec Millisec Robson, et al., J Comput Assist Tomogr 2003; Temps 27(6): 825-846
Chronogramme d’une séquence UTE TE = 8 µs Half RF pulse RF Astuces permettant d’accélerer l’acquisition: Gz •Demi-pulse de RF NEX = 2 •Echantillonnage de la rampe (ramp Gx sampling) •Acquisition radiale Gy
Illustration: SE et EG / TE variable SE, TE=45 SE, TE=30 SE, TE=15 EG, TE=16 EG, TE=12 EG, TE=8 Le signal au sein des structures intraméniscales augmente à mesure que l’on diminue le TE
UTE / varying TE Les séquences UTE permettent de réduire le TE davantage encore. TE=12 TE=6 TE=3 TE=1.2 TE=0.8 TE=0.4 TE=0.012ms
UTE / varying TE TE=12 ms TE=3 TE=0.012ms Il est ainsi possible de choisir le TE permettant d’obtenir le signal et le contraste optimum pour le tissu étudié.
Rappels sur les valeurs T2 et T1rho • Principalement étudiés pour le cartilage. • T2: surtout influencé par la concentration et l’organisation des fibres de collagène. • T1rho dépend de la concentration des glycosaminoglycanes (GAG). Pas de consensus quant à l’effet du collagène sur le T1rho. • Ces mesures quantitatives permettent donc d’accéder aux phases précoces de la pathologie dégénérative, au stade où seules les modifications biochimiques sont décelables. • Ces techniques de quantification ont été plus récemment appliquées au ménisque. Cependant, malgré des similarités, la concentration et l’organisation de ces composants sont différentes pour le ménisque. Rauscher I, et al., Radiology 2008; 249:591-600. P-H Tsai et al., Osteoarthritis a nd Cartilage, 2009 Wheaton AJ, et al., J Magn Reson Imaging 2004 Li XJ, et al., Osteoarthritis Cartilage 2007; 15:789-797
Objectif • Montrer l’intérêt de nouvelles séquences IRM à TE ultra-court (UTE) pour l’analyse structurelle et quantitative (T1rho et T2) des ménisques grâce à une étude cadavérique.
Materiel et Méthodes • 10 genoux de cadavres (4H, 6F, âge moyen au décès: 80 ans) • Protocole d’imagerie: • IRM clinique 3T, antenne genou en quadrature • Coupes sagittales de 3 mm d’épaisseur • Séquences morphologiques: • Séquences cliniques: PD FS, T1-w • Séquences UTE • Séquences quantitatives: • UTE T1 rho, 2D T1 rho • UTE T2 prep, T2 SE
Materiel et Méthodes Paramètres des séquences IRM 90°x -90°x UTE 180°y crusher UTE T2 DIR Prep T2prep 90°x -90°x UTE Spin Lockingy crusher T1 rho DIR Prep UTE TSL Les séquences UTE ont été combinées à différentes méthodes de préparation afin d’obtenir des techniques de mesures des T2 (UTE T2) et de T1rho (UTE T1rho) qui prennent en compte les composantes à T2 ultra-courts du tissu méniscal. Ces séquences ont été comparées aux séquences quantitatives conventionnelles
Materiel et Méthodes Paramètres des séquences IRM Slice Seq TR TE TI NEX Matrix Thickn Gap FOV Zoom ETL F/S Flip B/W Time ess 512X51 PD FS 2500 34 N/A 2 3 0 12 Zoom 7 CL 90 63 6:15 2 UTE 512X51 500 .012 / 5 N/A 2 3 0 12 Zoom N/A FS 45 63 8:33 FS 1 UTE 512X51 500 .012 / 5 N/A 2 3 0 12 Zoom N/A No 45 63 8:33 NFS 1 8, 16, T2 SE 24, 32, 320X25 2000 N/A 2 3 0 12 Zoom N/A No 90 42 17:00 MAP 40, 48, 6 56, 64 PREP TIME; UTE T2 512X45 500 0,012 N/A 2 3 N/A 12 Zoom N/A FS 45 63 7:37 0.6, 3.8, PREP 5 16, 32, 50 PREP UTE TIME; 512X45 0.04, 3.8, T1p 500 0,012 N/A 2 3 N/A 12 Zoom N/A FS 45 63 7:37 16, 32, 5 PREP 50 TSL: 0, 1024X6 10, 20, 2D T1p 1500 5,7 N/A 2 3 0 12 Zoom N/A FS 90 125 20:21 40, 60, 4 80
Materiel et Méthodes • Sections de 3 mm d’épaisseur dans le même plan sagittal qu’à l’imagerie • Corrélation entre les modifications macroscopiques sur les coupes anatomiques, les séquences IRM cliniques (T1, PD fat sat) et séquences UTE.
Resultats Valeurs de T2 25 Normal Dégénératif 20 15 T2 SE 10.13 16.2 p
Resultats Valeurs de T2 25 Normal Dégénératif 20 15 T2 SE 10.13 16.2 p
Resultats Valeurs de T2 25 Normal Dégénératif 20 15 T2 SE 10.13 16.2 p
Resultats Valeurs de T2 25 Normal Dégénératif 20 15 T2 SE 10.13 16.2 p
Resultats Valeurs de T1rho 40 35 Normal Dégénératif 30 25 2D T1 18 24.7 p
Resultats Valeurs de T1rho 40 35 Normal Dégénératif 30 25 2D T1 18 24.7 p
Resultats Valeurs de T1rho 40 35 Normal Dégénératif 30 25 2D T1 18 24.7 p
Resultats Valeurs de T1rho 40 35 Normal Dégénératif 30 25 2D T1 18 24.7 p
Resultats: résumé • Les techniques UTE permettent une évaluation du T2 et du T1rho en prenant en compte les composants à T2 courts du ménisque. • Les techniques de mesure du T2 ont permis une différenciation entre ménisque dégénératif et ménisque normal. • Seules les techniques conventionnelles de mesure de T1rho ont permis une différenciation entre ménisque dégénératif et ménisque normal. Les techniques de mesure du T1rho prenant en compte les composants à T2 courts n’ont pas permis cette différentiation. • Les facteurs permettant d’expliquer les valeurs de T1rho ne sont pas bien compris et d’autres études sont nécessaires pour les expliquer.
Conclusion • La réalisation des séquences UTE est possible pour l’analyse morphologique et quantitative des ménisques. • Les séquences UTE ont un intérêt pour l’analyse biochimique non invasive des tissus à T2 courts tels que les ménisques. • Les étapes ultérieures de cette étude vont comprendre une corrélation des techniques de quantification UTE avec des données biochimiques (méthodes de digestion enzymatiques) et biomécaniques, notamment pour expliquer les valeurs de T1rho.
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