Imagerie de la perfusion cérébrale en pédiatrie
Les premières études de la perfusion cérébrale en imagerie utilisaient les techniques de médecine nucléaire. Elles ont mis en évidence une évolution globale et régionale de la perfusion cérébrale en rapport avec l’âge. Dans une étude SPECT utilisant le 133Xe chez 42 enfants considérés comme normaux, âgés de 2 jours à 19 ans (Chiron et al., 1992) le CBF global était très bas à la naissance (plus bas que chez l’adulte) puis maximal à l’âge de 5-6 ans (50-85% plus élevé que chez adultes). Puis il existait une décroissance pour atteindre des valeurs adultes entre 15 et 19 ans. L’évolution selon les régions corticales cérébrales montrait des valeurs relatives de CBF (valeurs de CBF régionales exprimées en % du CBF global) plus élevées et une augmentation plus rapide dans le cortex primaire (cortex visuel primaire, cortex auditif et cortex sensorimoteur) que dans le cortex associatif (cortex associatif unimodal parieto-temporal et occipital, cortex associatif polymodal pariéto-temporal, associatif pré frontal et aire de Broca), en accord avec le développement de l’enfant. Il existe parallèlement une évolution du métabolisme du glucose mesuré en PET 18-FDG (Chugani et al., 1987). Dans cette étude menée chez 29 enfants considérés comme normaux, le métabolisme glucidique était maximal dans le cortex sensori-moteur, les thalamus, le tronc cérébral et le vermis, chez les nouveau-nés de moins de 5 semaines. A l’âge de 3 mois il existait une augmentation dans le cortex pariétal, temporal et primaire visuel, les noyaux gris centraux et le cortex cérébelleux. Le pic dans le cortex frontal et occipital dorsolatéral était atteint environ à l’âge de 6-8 mois. De manière globale les valeurs de captation du glucose dans la substance grise étaient basses à la naissance et augmentaient rapidement jusqu’à l’âge de 2 ans, puis le pic était atteint vers 3-4 ans pour rester en plateau jusqu’à 9 ans. Ensuite il existait une décroissance pour atteindre les valeurs adultes vers 16-18 ans.
Des données similaires ont été retrouvées en scanner de perfusion cérébrale (Wintermark et al., 2004) dans une étude rétrospective menée chez 77 enfants âgés de 7 jours à 18 ans. Il s’agit de la seule étude dans la littérature avec cette modalité d’imagerie. Le pic perfusionnel était atteint entre 2 et 4 ans (x 2.5 valeurs adultes) puis les valeurs adultes vers l’âge de 7 ans. L’évolution régionale retrouvait un pic perfusionnel du cortex primaire sensori-moteur dans les premiers mois de vie, puis un pic du CBF relatif dans le cortex temporal et pariétal, les basal ganglia, entre 1 et 4 ans. L’augmentation dans cortex frontal se faisait en dernier.
Technique ASL
Principes techniques: Le principe général de l’ASL repose sur la réalisation de deux acquisitions : une acquisition avec marquage magnétique des protons artériels (par une impulsion radiofréquence au niveau des vaisseaux du cou), et une acquisition de contrôle. La soustraction de l’acquisition avec marquage et de l’acquisition contrôle permet d’obtenir une image pondérée en perfusion.
Marquage des protons : Il existe deux principales méthodes de marquage : le marquage continu (CASL) et le marquage pulsé (PASL). La CASL est la méthode de marquage développée initialement, consistant en une impulsion radiofréquence continue et sélective, appliquée au niveau des vaisseaux du cou. La PASL utilise des impulsions radiofréquences très courtes sur une plus large zone de marquage. Le marquage pseudo-continu (pCASL) est une méthode hybride qui utilise un train d’impulsions radiofréquence de très courte durée. L’avantage de la séquence de pCASL est un meilleur SNR que la PASL, avec une meilleure efficacité de marquage, et une mise en œuvre plus facile que la CASL. C’est actuellement la méthode de choix (Alsop et al., 2015). L’image marquée est obtenue après un délai suffisant pour permettre aux protons marqués d’atteindre la zone d’intérêt (boite d’acquisition sur le cerveau). Ce délai est appelé délai post marquage (PLD = post labeling delay ou TI = Inversion Time selon le type de marquage). L’acquisition des images est principalement réalisée en echo planar imaging (EPI), mais des séquences 3D ont été développées pour améliorer la qualité des images.
Obtention de la cartographie de perfusion
La soustraction de l’image contrôle et de l’image marquée donne une image pondérée en perfusion. La différence de signal est de l’ordre de seulement 0.5 – 1.5% du signal total. C’est pourquoi il est nécessaire de répéter plusieurs fois l’acquisition du couple image marquée – image contrôle (plusieurs dizaines de répétitions) afin d’augmenter le rapport signal/bruit. La moyenne des soustractions permet d’obtenir une cartographie de perfusion.
Afin d’obtenir une cartographie de perfusion quantitative du CBF (en mL/100g de tissu/min), il faut appliquer un modèle de quantification à partir de la cartographie pondérée en perfusion. Les paramètres qui interviennent dans la quantification du CBF sont la densité de protons des tissus, les temps de relaxation T1 du tissu et du sang marqué (T1t et T1blood), le temps de transit entre la zone de marquage et la zone d’intérêt (PLD ou TI et TI1)), l’efficacité de marquage (α), le coefficient de partition du cerveau et du sang (λ). Ces paramètres peuvent être mesurés ou estimés, en utilisant des valeurs de la littérature. Une vigilance particulière doit être portée à cette étape, notamment dans les populations pédiatriques normale et/ou malades, où certains de ces paramètres peuvent être modifiés.
Paramètres d’acquisition et de quantification : particularités pédiatriques
Positionnement de la boite ou du plan de marquage : La boite de marquage pour une séquence de PASL est habituellement de 10cm d’épaisseur, adaptée à la taille du cou d’un adulte. Cependant elle est trop recouvrante chez un nouveau-né et descend jusqu’au thorax. Nous n’avons pas la possibilité de modifier ce paramètre sur notre machine. A notre connaissance il n’existe pas d’étude dans la littérature étudiant l’impact sur la qualité du marquage et des cartographies de perfusion, bien qu’il soit recommandé de l’adapter à la taille de l’enfant (Wang and Licht, 2006). Concernant la séquence de pCASL, il s’agit plus d’une adaptation du positionnement du plan de marquage. Effectivement, pour un meilleur marquage le plan doit être perpendiculaire aux troncs supra-aortiques. Pour éviter la réalisation d’une Angio MR pour le positionnement, l’utilisation de critères anatomiques tels que 85mm sous le plan commissure antérieure commissure postérieure (CA-CP) (Aslan et al., 2010) est utilisé chez l’adulte. Cependant cette mesure n’est pas adaptée aux enfants. Un autre choix est de placer le plan de marquage sous le bord inférieur du cervelet (Dai et al., 2012). L’étude récente d’Ouyang et al. (Ouyang et al., 2017) est une des rares à avoir étudié et détaillé ce paramètre chez des nouveau-nés. Leur choix s’est porté sur le positionnement à la partie inférieure du pont, et non du cervelet, en raison d’un meilleur contraste substance grise – substance blanche et de la réduction des artefacts sur la cartographie de perfusion .
Chaine de traitement automatisée : l’outil AutoASL
Le traitement des images d’ASL et des images morphologiques (3D-T1, utile pour la segmentation) nécessite l’utilisation de logiciels de traitement d’image. Une chaine de traitement automatisée nommée autoASL, basée sur l’utilisation du logiciel SPM8 (Wellcome Trust Centre for Neuroimaging, University College of London, UK) et Matlab® (The MathWorks, Inc.), a été développée au sein de l’équipe Visage .
L’installation, la compréhension et l’utilisation de SPM8, MATLAB® et de l’outil AutoASL, ont fait partie intégrale de ce travail de thèse.
De même la préparation des images a été une étape préalable primordiale, avec l’aide de Mme Elise Banier (Ingénieur de recherche – Plateforme Neurinfo ; Equipe Visages), car nécessitant la mise en place d’un circuit, qui était inexistant pour les acquisitions réalisées sur l’IRM pédiatrique de l’Hôpital Sud. A savoir, au final : Anonymisation des images DICOM, Transfert sur le PACS recherche du CHU, Transfert sur le PACS Neurinfo, Import sur la plateforme Shanoir et conversion au format Nifti, Essais d’installation du logiciel Shanoir Uploader pour éviter les étapes 1-2-3, non concluante à ce jour, Téléchargement des images Nifti et organisation standardisée des fichiers.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 – Imagerie de la perfusion cérébrale en pédiatrie
“Brain Perfusion Imaging in Neonates: An Overview. AJNR 2016” “Arterial spin labeling in clinical pediatric imaging. DII 2016”
Chapitre 2 – Technique ASL
Principes techniques
Marquage des protons
Obtention de la cartographie de perfusion
Paramètres d’acquisition et de quantification : particularités pédiatriques
1/ Positionnement de la boite ou du plan de marquage
2/ Nombre de répétitions
3/ PLD ou TI
4/ Quantification : le T1 du sang
5/ Paramètres utilisés dans la littérature chez les nouveau-nés
Chaine de traitement automatisée : l’outil AutoASL
Chapitre 3 – Travaux chez l’enfant
Adaptation de la chaine de traitement
1. Extraction du cerveau
2. Segmentation des images anatomiques – Templates pédiatriques
3. Correction de mouvement des images ASL
4. Analyse par ROI
Applications cliniques
“Measurement of pediatric regional cerebral blood flow from 6 months to 15 years of nage in a clinical population. EJR 2018”
“Magnetic resonance imaging in children presenting migraine with aura: Association of hypoperfusion detected by arterial spin labelling and vasospasm on MR angiography
indings. Cephalalgia 2018”
Chapitre 4 – Travaux chez le nouveau-né
Adaptation de la chaine de traitement
1/Extraction du cerveau
2/Segmentation de la substance grise – substance blanche
3/Correction de mouvement et analyse qualité
4/Analyse par ROI
Applications cliniques
“Changes in brain perfusion in successive arterial spin labelling MRI scans in neonates
with hypoxic-ischaemic encephalopathy”. Neuroimage: Clinical 2018. Article soumis .
Chapitre 5 – Conclusion et perspectives
Références
