microvascularisation imagerie de la perfusion et de la...

Microvascularisation

Imagerie de la Perfusion et de la Perméabilité

en TDM et IRM pondérée T1

DCE-Imaging

Ca@cuenod.net

CA Cuenod, Daniel Balvay

LRI-INSERM 970

Paris Descartes University

Georges Pompidou Hospital Paris

?

cBV

cBF

MTT

Entrée artérielle

Sortie Veineuse

Microcirculation dans le réseau capillaire

Zone d’échange

Gare

Arrêt => Echanges

CA Cuenod

Cross-sectional area is enlarged

=> Velocity is slow down

• Présente dans tous les organes

• Anormale lors des états pathologiques:

• Ischemie / atherosclerose/ diabete

• Inflammation

• Cancer

Pourquoi étudier la microcirculation ?

Angiogénèse tumorale

Angiognèse tumorale

Vaisseaux anormaux

==> microcirculation

anormale

• Diagnostique (détection précoce, caractérisation)

• Prognostique (gravité)

• Suivi

• Traitement :

- évaluation de nouveaux traitements

- optimisation-monitoring d’un traitement

Objectifs Cliniques de l’étude de la

microcirculation ?

Comment analyser la

microcirculation en imagerie?

Il y a de nombreuses méthodes en imagerieIRM

DCE-IRM

DSC-IRM

Spin Labeling

Diffusion IVIM

BOLD

CT DCE-CT Perfusion CT

Xenon -CT

US microbules

DCE-US

Destruction-replenishment

Doppler

PET

Tracer kinetic

Il y a de nombreuses méthodes en imagerieIRM

DCE-IRM

DSC-IRM

Spin Labeling

Diffusion IVIM

BOLD

CT DCE-CT Perfusion CT

Xenon -CT

US microbules

DCE-US

Destruction-replenishment

Doppler

PET

Tracer kinetic

Dynamic Contrast Enhanced Imaging

DCE-IMAGING

Les principes

L’acquisition et l’analyse

Dynamic Contrast-Enhanced

imaging

• MRI

• CT

• US

=> DCE-MRI

DCE-CT

=> DCE-US

Bolus

Injection

Petites molécules qui fuient dans l’interstitium

Larges bulles

4 minute3 minute2 minute1 minute

TIME

SIG

NAL I

NTEN

SIT

Y

Résolution temporale basse

IMR du Sein

1

2

3

4

DCE-CT

Résolution temporale élevée

4

1

2 3

Arterial Input Function

Comportement dans les tissus

Courbes de dynamique d’intensité de signal

?

Signal

Temps

?

CAS n°1 l’agent de contraste

reste en intracapillaire

CT et IRM : Cerveau

US : Bulles

Arterial Input function

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Tissue response

Réponse tissulaire = transformation de l’entrée artérielle

1er passage2Ème passage

État d’équilibre dynamique

Réponse tissulaire = transformation de l’entrée artérielle

recirculation

CAS N°2 l’agent de contraste peut fuire et

s’accumuler dans l’espace interstitiel

CT et IRM dans le corps

Pas de diffusion dans les cellules

CAS N°2 l’agent de contraste peut fuire et

s’accumuler dans l’espace interstitiel

CT et IRM dans le corps

Pas de diffusion dans les cellules

Fuite

intersitielle

Réponse tissulaire

Fuite interstitielle

Interstitial Leak

La réponse tissulaire est la

somme :

- de l’agent de contraste

contenu dans les capillaires

- ET de l’agent de contraste

contenu dans l’interstitiel

Comment analyser les courbes de

dynamique de rehaussement ?

Description qualitative

Description semi-quantitative

Analyse quantitative

Comment analyser les courbes de

dynamique de rehaussement ?

Description qualitative = Visuelle

Description semi-quantitative

Analyse quantitative

Imagerie IRM

du sein

Description Qualitative

Pre

persistent

plateau

washout

Tanya Niemeyer*a, Chris Wooda, Keith Stegbauera, Justin Smithab

Schémas simple de classification

Temps

Wash-in

Malin

Benin

Comment analyser les courbes de

dynamique de rehaussement ?

Description qualitative

Description semi-quantitative

Simple

Relative

Analyse quantitative

Approche semi-quantitative

Hauteur du pic

Peak Height (PH)

Pente

Slope

Temps avant le pic

Time to peak (TTP)

Approche semi-quantitative

Aire sous la courbe (AUC)

AUC 60s AUC 90s

CA Cuenod

CA Cuenod

Approche semi-quantitative

Hauteur du pic

Peak Height (PH)

Pente

Slope

Temps avant le pic

Time to peak (TTP)

Comparaison à un tissus de référence ++

Approche semi-quantitative

Hauteur du pic

Peak Height (PH)

Pente

Slope

Temps avant le pic

Time to peak (TTP)

Aire sous la courbe

Area Under the curve AUC

Comparaison à un tissus de référence ++

Comment analyser les courbes de

dynamique de rehaussement ?

Description qualitative

Description semi-quantitative

Analyse quantitative

Heuristique

Modèle réaliste

Nécessité d’une AIF

Grande variété de modèles …..

Modèles de Perfusion- 1er passage

Axel

Maximal gradient Miles

Gamma variate

Deconvolution Ostergaard-Sorensen

Modèles de Perméabilité

Tofts and Kermode / Kety / Larsson/ Knopp

Patlak Shames-Brash

Extended Kety or extended Tofts

Grande variété de modèles …..

Modèles de Perfusion- 1er passage

Axel

Maximal gradient Miles

Gamma variate

Deconvolution Ostergaard-Sorensen

Modèles de Perméabilité

Tofts and Kermode / Kety / Larsson/ Knopp

Patlak Shames-Brash

Extended Kety or extended Tofts

Modèles complets – 4 paramètres

St Lawrence-T Lee

Brix

Cuenod and de Bazelaire

Two-Compartment eXchange Model (2CXM) (Buckley, Sourbron)

• • •

Quels sont les paramètres de

microcricularion que l’on veut

quantifier ?

Les 4 paramètres principaux

IN

OUT

Ve (%)

Volume intersitiel

tissulaire

PxS(ml/min/100ml)

Fuite

FT

(ml/min/100ml)

Débit sanguin

tissulaire

BVT

(%)

Volume sanguin

tissulaire

Les 4 paramètres principaux

IN

OUT

Ve (%)

Volume intersitiel

tissulaire

PxS(ml/min/100ml)

Fuite

FT

(ml/min/100ml)

Débit sanguin

tissulaire

BVT

(%)

Volume sanguin

tissulaire

F = Vsang/ t

Débit sanguin

N’est pas un réel paramètre de perfusion

F = Vsang/ t Ftissu = (Vsang/t)/Vtissu

Débit sanguin vs. Débit de perfusion tissulaire

ml/min/100 mlml/min

Débit de perfusion tissulaire

Tissue Blood Flow

Volume sanguin tissulaire

« Volume of blood

within a volume of tissue »

ml/100 ml de tissu ou %

Cerveau Foie

Volume sanguin tissulaire

Faible Important

Transit Time

Transit Time

Transit Time

Transit Time = Mean Transit Time (MTT)

1/sec = 1/sec

Central Volume Theorem

Stewart and Hamilton (1894)

ml/min/100ml = (ml/100ml) x (1/min)

FT= VT/ MTT

Deux familles de stratégies

- Déconvolution

- Analyse compartimentale

Deux familles de stratégies

- Déconvolution

- Analyse compartimentale

Tissu

interstitium

Plasma

Globules

rouges

Cellules

PS

Espace

capillaire

Espace

capillaire

Espace

Extra-capillaire

Espace

Extra-capillaire

FTB

Artère (AIF) Tissue

Plasma

artery

red cells

interstitium

vpc

qpc

vi

qi

Plasma

capillary

red cells

tissue cells

PS

vRC

0

vCell

0

1-Hct

qpa

FTp

FTB

FTp

VT =1

qT

Hct

0

qT = qpc + qi + 0 + 0

dqpc/dt= FTp*qpa- FTp*qpc/vpc- PS*qpc/vpc+ PS*qi/vi

dqi/dt = PS*qpc/vp - PS*qi/vi

FTB

Tissue

Plasma

artery

red cells

interstitium

vpc

qpc

vi

qi

Plasma

capillary

red cells

tissue cells

PS

vRC

0

vCell

0

1-Hct

qpa

FTp

FTB

FTp

VT =1

qT

Hct

0

Artère (AIF)

qT = qpc + qi + 0 + 0

dqpc/dt= FTp*qpa- FTp*qpc/vpc- PS*qpc/vpc+ PS*qi/vi

dqi/dt = PS*qpc/vp - PS*qi/vi

FTB

Artery (AIF)Tissue

Plasma

artery

red cells

interstitium

vpc

qpc

vi

qi

Plasma

capillary

red cells

tissue cells

PS

vRC

0

vCell

0

1-Hct

qpa

FTp

FTB

FTp

VT =1

qT

Hct

0

(s)

AIF

Interstitium

Plasma

Tissue

Arterial input function

Arterial input

function

• AIF individuelle

• AIF moyenne

• AIF synthétique

Ajustement de la courbe par ordinateur

Ajustement des paramètres

FT vb PS ve

Temps

inte

nsite

Temps

I

R

M

FT FT

PSve

vb

Ajustement de la courbe par ordinateur

Paramètres finaux

F vb PS ve

Temps

inte

nsite

Temps

I

R

M

F F

PSve

vb

(s)

AIF

Arterial input function

Interstitium

Plasma

Tissu qT = qpc + qi

Modèle completRésolution temporelle élevée

Acquisition temporelle longue

Rehaussement tissulaire

(s)

AIF

Arterial input function

Interstitium

Plasma

Tissu qT = qpc + qi

Modèle completRésolution temporelle élevée

Acquisition temporelle longue

Rehaussement tissulaire

Débit de

perfusion

tissulaire

Volume

sanguin

tissulaire Perméabilité x

Surface

Volume Intersititiel

tissulaire

Résolution temporelle élevée

Acquisition temporelle longue

PS

Ve

VB

FT

C’est le cas idéal …

Mais si …

Résolution temporelle élevée

Acquisition temporelle moyenne

Résolution temporelle élevée

Acquisition temporelle moyenne

PS

Ve

VB

FT

Résolution temporelle élevée

Acquisition temporelle courte (1er passage)

Résolution temporelle élevée

Acquisition temporelle courte (1er passage)

PS

Ve

VB

FT

Résolution temporelle élevée

Acquisition temporelle ultra-courte (pente)

Résolution temporelle élevée

Acquisition temporelle ultra-courte (pente)

PS

Ve

VB

FT

Résolution temporelle basse

1 image/ 10 sec 1 image / 1 min

1 image/ 10 sec 1 image / 1 min

Le vrai pic est manqué

Pente intitiale fausse

Etat d’équilibre OK

Faux pic

Artery (AIF)Tissue

Plasma

artery

red cells

interstitium

vpc

qpc

vi

qi

Plasma

capillary

red cells

tissue cells

PS

vRC

0

vCell

0

1-Hct

qpa

VT =1

qT

Hct

0

Résolution temporale faible

Acquisition longue ==> Extended Tofts- Kety

Extended Tofts-Kety

Interstitium

Plasma

Tissue

Ve

VB

FT

Ktrans

Théorie unifiée de la DCE-imagerie

Acquisition

Résolution

temporelle

Courte

60s

Intermédiaire Longue

≥ 600 s

Haute

1-3 s

FT VB

-- --

First pass

FT VB

PS --

FT VB

PS VeCompr. Model

Intermédiaire

-- VB

PS --

Patlak

-- VB

Ktrans Ve

Extended Kety

Ktrans Ve

Tofts

Basse

30-60s

First pass Compr. Model

Patlak