imagerie fonctionnelle rénale
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Imagerie fonctionnelle
Rénale
N. Grenier, Bordeaux
Université Bordeaux Segalen
Service de Radiologie, Groupe Hospitalier Pellegrin, Bordeaux
Ricardo et al, JCI 2008;118:3522
Cellular mechanisms of kidney scarring
Vascularisation rénale
Artères
segmentaires
Artères inter-
lobaires
Artères
arquées
Le rein est un organe très richement vascularisé
Vascularisation intrarénale
L’essentiel de la perfusion va au cortex
La perfusion médullaire est de type capillaire
Circulation rénale
• Débit sanguin rénal normal :
– 20% du débit cardiaque au repos
• 1200 ml/min/1,73m2 (homme)
• 980 ml/min/1,73m2 (femme)
– variations :
• - 40% > 80 ans
• + 40% durant la grossesse
• Perfusion régionale :
– cortex: 400 ml/min/100g
– médullaire: 20 ml/min/100g
Concept de clairance
• Clairance : débit de plasma totalement épuré d’une substance (par filtration et/ou sécrétion tubulaire)
• C = U x V / P• V = débit urinaire
• U = concentration urinaire
• P = concentration plasmatique
• C = clairance d’une substance
P
U V
C
De la clairance au Débit de Filtration Glomérulaire
(DFG)
• En cas de filtration glomérulaire pure
– Clairance = DFG
• Caractéristiques d’un marqueur idéal du
DFG:
– biologiquement inerte
– librement filtré
– ni réabsorbé, ni sécrété par les tubules
– n’influence pas le débit de filtration
– facile à mesurer dans le plasma et
l’urine
Stevens LA et al, NEJM 2006
IRC et Débit de filtration glomérulaire
• Grade 1: – DFG normal ou augmenté
90 ml/min/1,73 m2
• Grade 2: IRC débutante– DFG entre 60 et 89 ml/min/1,73 m2
• Grade 3 : IRC modérée– DFG entre 30 et 59 ml/min/1,73 m2
• Grade 4 : IRC sévère– DFG entre 15 et 29 ml/min/1,73 m2
• Grade 5 : IRC terminale
– DFG < 15 ml/min/1,73 m2
Am J Kidney Dis 2002; 39 (Suppl 2): S1-246
Fonction de concentration des urines
Mécanisme de contre-courant responsable
d’un gradient osmotique cortico-médullaire
Surdensité (intensité) au
temps tubulaire
Marqueurs de la fonction rénale
• Volume de parenchyme rénal:
– Grand axe rénal
– Épaisseur parenchyme
– Volume
• Vascularisation:
– Débit sanguin rénal, volume sanguin, perfusion
• Néphron:
– Débit de filtration glomérulaire
– Fonction rénale différentielle
Corrélation MR-volume vs fonction
Pedersen M et al, Am J Nephrol 2011
Relationship between volume and
reference method (51EDTA-Cr) in pigs
Correlation volume/fonction
Mesure de la fonction rénale
• Clairance de l’inuline :
– 130 ± 20 mL/min/1.73m2
• Référence en clinique :
– 51Cr-EDTA
Procedure Complexity Accuracy
Inulin clearance 5 5
Isotope clearance 4 4
Creatinine clearance 3 3
Plasma
disappearance
(isotope or other)
3 3
Serum creatinine
level
1 2
Blood urea nitrogen 1 0.5
• Clairance de la creatinine :
– Surestime le DFG (sécrétée)
– Nl > 90 ml/min
– Cockroft-Gault = estimation de CrCl
– MDRD : = estimation du DFG
Précision des fonctions de filtration estimées
Pointillés = différence de ±30% entre le DFG estimé et mesuré
Prigent A, Seminars Nephrol 2008
Mesure radiochimique du FDG
• Radiopharmaceutiques: – 125I-Iodothalamate, 99mTc-DTPA
– 51Cr-EDTA +++
• Méthodes:– Dosages sanguins:
• Infusion (4H)
• Bolus :
– 1 à 2 prélèvements
– Modèle bi-exponentiel
– Correction / approximation, surface corporelle
– Dosages urinaires (infusion, bolus)
– Comptage externe par Gamma-caméra (Gates, 1982)
• Moins précis
Médecine nucléaire
• Méthode la plus anciennement et couramment
utilisée en matière d’imagerie fonctionnelle urinaire:
• Comprend l’étude de la fonction rénale différentielle
et de la vidange urinaire.
• Principe:
– injection IV d’un radiopharmaceutique qui est accumulé et
excrété par les reins
– détection extérieure de ce traceur par une gamma caméra
permet une étude dynamique de la fonction rénale
1ère phase de 60 images de 1 s (soit 1 minute) -1 phase de 120 images de 10 s (soit 20 minutes)
- verticalisation (au moins 5 minutes), miction et
dernière série de 12 images de 10 s (soit 2 minutes).
Médecine nucléaire
Trois phases:
- une phase vasculaire brève
- une phase de 2 à 3 minutes d’accroissement de l’activité (captation du traceur : calcul de la FRD)
- une phase de vidange durant laquelle le traceur quitte le rein pour l’uretère
et qui succède à un pic où captation et excrétion s’équilibrent
Médecine nucléaire
Avantages, inconvénients de la scintigraphie
• Les avantages: – linéarité entre la concentration d’isotope et l’activité mesurée
– relativement bonne résolution temporelle
– faible irradiation délivrée
• Inconvénients:– imagerie par projection
– faible résolution spatiale
– positionnement correct des ROI délicat en cas de dilatation importante ou asymétrique
• Méthode de référence– largement utilisée par la grande majorité des équipes infantiles
et adultes, mais elle n’est pas un « gold standard ».
Scanner dynamique
• Traceur :
– Produit de contraste iodé
– Filtré au 1er passage sans réabsorption ni sécrétion
– Véritable traceur glomérulaire
• Acquisition dynamique
– dans un même plan de coupe
– ou pile de coupes
– Durant environ trois minutes après injection du produit de
contraste, dont la fraction de filtration est d’environ 20%.
Avantages, inconvénients du scanner X
• Avantages– linéarité entre la concentration en iode
et les valeurs d’atténuation
– excellentes résolutions spatiale,
en contraste et temporelle
• Inconvénients– irradiation élevée
– administration de produits de contraste iodés, potentiellement néphrotoxiques
-200
0
200
400
600
800
1000
UH
-10 0 10 20 30 40 50CONCENTRATION IODE
(mg/ML)
IRM dynamique
Séquence T1w en EG
Concentration tubulaire dans la médullaire
Choyke, Radiology, 1989
Effets T2* => chute de signal
SpT1/T2* en EG (type FISP)
Concentration tubulaire dans la médullaire
Effet paradoxal dans la médullaire
Rein de lapin
Conséquences sur la technique +++
• Relation SI- [Gd] :– Strong T1weighting :
• GE sequence :
– Short TR/TE, large FA for contrast dynamic range
• Magnetization-prepared GE sequence (TFE)
– saturation : 90°-120°
– inversion (180°)
– non selective +++ for inflow effects in vessels
– FA can be small for temporal resolution : 10-20°
– Low dose of contrast agent :
• Decrease the dose of Gd to decrease the T2* effects :
– half (0.05 mmol/kg) to fourth (0.025 mmol/kg) : 3-4 ml for adults
• Movement correction
Prise en compte de la fonction d’entrée
Échantillonage corticallFonction d’entrée artérielle
Modélisation
Correction de mouvements
Movement correction : impact on GFR
Transplanted kidney
no correction
GFR GFR-SD
correctionno correctioncorrection
Native kidney
no correction correction no correction correction
GFR GFR-SD
Denis-de-Senneville B et al, JMRI 2008
• Average absolute variation of GFR : 6.4% 4.8% (max 16.6%).
• Movement correction average reduction of GFR-SD of 6.9% + 6.6% (max: 21.4%)
• Average absolute variation of GFR: RK 12.11% + 6.88% (max: 25.6%) and LK 11.6% + 6% (max: 20.8%)
• Movement correction average reduction of GFR-SD : RK 30.9% + 17.6% (max 60.8%), and LK 31.8% + 14% (max 55.3%)
Avantages et inconvénients de l’IRM
dynamique
• Avantages:
– Acquisition multiplanaire, (plan de « glissement rénal »)
– Résolution anatomique élevée
– Excellent contraste entre tissus
– Absence d’irradiation
• Inconvénients:
– Non linéarité de la relation signal-concentration
– Artefacts de susceptibilité (gaz)
– Mouvements respiratoires
Modes de calcul
• Méthode semi-quantitative de comparaison Dt –G• comparaison des pentes
• aire sous la courbe du rénogramme
• modèle de Patlak-Rutland
• Mesure du DFG, par rein :• modèle de Patlak-Rutland
• Mesure combinée perfusion et DFG, par rein :• Modèle compartimental
Étude de la fonction rénale différentielle
• Obstruction unilatérale des VES +++
– de l’adulte et de l’enfant
• Asymétrie rénale à fonction altérée
• Avant chirurgie rénale en cas d’IR
• Sténose d’AR
Fonction rénale différentielle : AUC
Rohrschneider, Radiology 2002
FR = AUC (mm2) x KSurf (mm2)Total = 62 kidneys
Spearman correlation
r = 0.92 p<.001
Patient de 17 ans, avec un syndrome de JPU
Fonction rénale différentielle : AUC
• Expression graphique corrélant le rapport entre:
– en ordonnées, les courbes d’évolution de l’activité du parenchyme rénal sur
celle du coeur ou de l’aorte (fonction d’entrée – AIF) : R(t)/C(t))
– en abscisses, le rapport entre l’intégrale de l’activité de l’AIF sur cette
activité (∫ C(t)/ C(t)
• Il en résulte une droite de transfert dont la pente représente le DFG par
unité de volume :
– Cette droite coupe l’axe des ordonnées en un point correspondant au
volume sanguin.
– La comparaison des pentes de chaque rein permet de déduire la FRD.
Fonction rénale différentielle : Méthode de Rutland-
Patlak
DFG Volume sanguin
40-120s
Fonction rénale différentielle : Méthode de Rutland-
Patlak
C(t
)/C
a(t
)Ca(t)dt/Ca(t)
% vol vascpente = clairance (ml/min/100g)
Modélisation par voxel
Cortex Aorte
Comparison MRU-RS using AUC and Rutland-Patlak method
Radiology 2015
Volume: 79cm3
Volume: 69cm3
AUC = 45,1 % Patlak = 42,9 %
AUC = 54,9 % Patlak = 57,1 %
RD
RG
RD = 44,7%RG = 55.3%
Mesures quantitatives: modèles cinétiques
Baumann-Rudin modelinflow-only model (filtration coefficient)
Patlak-Rutland modelbased on a 2 compartment model;
outflow from tubules is ignored
Two-compartment modeloutflow from tubules is taken into account
Annet et al. Lermoye et al.
Three-compartment modeloutflow from tubules is taken into account
Lee et al.
Bokacheva et al, MR Clin N Am 2008
Nécessite une conversion entre signal et concentration (complexe)
SAR : Analyse compartimentale - perfusion
Fonction d’entrée artérielle Rénogrammes
376 ml/min 217 ml/min
Sténose ARG
Blood flow
Blood volume
K-trans
84 ml/mn/100g
8.3%
7.8 ml/mn/100g
25-04-08
169 ml/mn/100g
25%
4,1 ml/mn/100g
29-01-08
32 ml/mn/100g
3.5%
5.9 ml/mn/100g
25-07-08
Suivi des traitement anti-angiogéniques
Mesure combinée : perfusion-DFG
Modèle bi-compartimental : Flux sanguin (perfusion)
Volume sanguin
DFG
GFR Blood volume Blood flow
SK-GFR : PR vs two compartment model
• Patients with ARVD (n=39)– 75 kidneys
– Reference : 51Cr-EDTA + 99mTc-DTPA
– ROI including cortex + medulla on central slice
• MR-GFR vs NM-GFR :– Patlak-Rutland :
Spearman’s ρ = 0.81, p < .0001
– Compartmental model :
Spearman’s ρ = 0.71, p < .0001
Buckley, JMRI 2006
Overestimation by :- 30% for PR method
- 100% for 2 Cpt model
Two-compartment model in which the outflow from
the tubules is accounted for
SKGFR measurement in renal transplants
Intra-class coefficient : 0.32 (IC95% 0.02 -- 0.56)
• Two compartment model with dispersion
Taton B et al, soumis
SKGFR measurement in renal transplants
Intra-class coefficient : 0.27 (IC95% -0.04 -- 0.53)
• Patlak-Rutland method
Taton B et al, soumis
=> Pas d’application possible en clinique actuellement
Perfusion par marquage des spins :arterial spin labeling (ASL)
• Principe :
– Marquage magnétique des spins
circulants qui changent la
magnétisation tissulaire en aval
en fonction du degrés de
perfusion
Marquage continu
Fenchel, M et al, Radiology 2006;238:1013
FAIR true FISP avec inversion sélective Cartographie de flux
Oxygénation rénale
Brezis M et al "The Kidney", 4th Ed.(Brenner & Rector) Saunders
Brezis, NEJM 95
• Consommation en oxygène :
– cortex 8%
– médullaire 85%
=> La médullaire fonctionne à la limite de l’hypoxie
R2* map
slope = R2*
echos
nl PO2
PO2
PO2
Renal oxygenation : BOLD-MRI
T2*w gradient multi-echo sequence
Pedersen M et al, Kidney Intern, 2005:67:2305-12
Medulla
y = -0.0017x + 0.0257
r2 = 0.4545
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0 2 4 6 8 10 12
pO2 [kPa] (microelectrode)
R2*
[1/s
] (B
OLD
)
Inoue T et al,, Am Soc Nephrol 2011.
BOLD MRI and diabetic nephropathy
Contradictory results
Michaely HJ, Kidney Intern 2012.
Limitations of renal BOLD MRI
• Confounding factors other than tissue pO2 that influence T2*:
– Blood perfusion
– Blood volume
– Intrinsic R2* not related to deoxyhemoglobin
• Technical factors of variation :
– Field strength, field homogeneity, low SNR, respiratory movements
• Static vs dynamic acquisitions :
– Waterload, pharmacologic…
• Reproducibility ?
• Clinical impact ?
Limitations of renal BOLD MRI
• Confounding factors other than tissue pO2 that influence T2*:
– Blood perfusion
– Blood volume
– Intrinsic R2* not related to deoxyhemoglobin
• Technical factors of variation :
– Field strength, field homogeneity, low SNR, respiratory movements
• Static vs dynamic acquisitions :
– Waterload, pharmacologic…
• Reproducibility ?
• Clinical impact ?
Renal Diffusion MRI
Diffusion gradients in 3 directions => ADC
Trace of tensor :
ADC = 1/3 (Dxx + Dyy + Dzz)
Dxx Dyx Dzx
Dxy Dyy Dzy
Dxz Dyz Dzz
Dxx Dyx Dzx
Dxy Dyy Dzy
Dxz Dyz Dzz
DWI in diffuse renal diseases: hypotheses
Normal Cell edema Renal fibrosisCell infiltration
Ischemia-reperfusion
Acute tubular necrosis
Acute rejection
Inflammatory nephropathiesChronic rejection
Chronic nephropathies
Problem : ADC values are expected to be
decreased in all of these situations
Relation of ADC and functional level
• Renal ADC values are highly correlated with the level of renal
function
Xu Y et al, JMRI 2007
(P 0.001)
(P 0.081)
• Renal ADC is significantly decreased in chronic renal failure, but without specificity :
– Chronic nephropathies (Thoeny, H.C., et al. Radiology 2006),
– RAS (Namimoto, T., et al. JMRI 1999; Yildirim, E., et al. Eur J Radiol 2008)
– Urinary obstruction (Muller, M.F., et al. Radiology 1994; Thoeny, H.C., et al. Radiology 2006)
Diffusion tensor MRI
Diffusion gradients in ≥ 6 directions => Tensor
ADC FA Tractography
Strupler et al, Biomed Optic 2008
Diffusion tensor MRI : CKD
Liu Zet al, Eur Radiol 2015
Correlation FA / eGFRCorrelation FA / Pathological score
Correlation FA / CKD stages
Conclusion
• L’imagerie fonctionnelle rénale est très importante pour la prise en
charge et le suivi des patients de néphrologie
• La médecine nucléaire reste la technique de référence
• L’IRM est de plus en plus utilisée en clinique (pédiatrie) pour la
mesure de la FRD dans les cas d’obstruction
• La mesure du DFG rein par rein en imagerie est le Graal, encore
non accessible pour la clinique
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