Publié janvier 2002
La réalisation d'une imagerie par résonance magnétique (IRM) constitue l'application du phénomène de résonance magnétique la plus utilisée en médecine. Elle repose sur l'étude de la relaxation des protons de l'eau, composant ubiquitaire de l'organisme. Cette relaxation varie en fonction de la densité des protons, de l'environnement des molécules d'eau. Couplée à la localisation du signal, grâce à l'utilisation de gradients de champ magnétique, l'étude de cette relaxation permet la reconstruction d'images bi- voire tri-dimensionnelles. La spectroscopie par résonance magnétique (SRM) est une technique antérieure à l'imagerie, utilisée in vitro pour la caractérisation biochimique. Les applications cliniques, in vivo, de la SRM ont pris moins d'ampleur que l'imagerie, car elles demandent des réglages plus précis et des temps d'acquisition plus longs pour obtenir un signal de qualité ; l'apport diagnostique par ailleurs est moins démonstratif que pour l'imagerie, et les applications pratiques sont plus rares.
1. Rappels théoriques et techniques
La fréquence de résonance d'un atome possédant un nombre impair de protons, et donc détectable par résonance magnétique, dépend de l'intensité du champ magnétique utilisé et de son environnement atomique et moléculaire immédiat. En IRM du proton, c'est-à-dire de l'hydrogène, le signal de l'eau domine très largement les autres composants, qui interviennent très peu dans la totalité du signal obtenu. Seul le signal des graisses, qui résonnent à une fréquence un peu différente, peut perturber le recueil de l'information, en étant responsable par exemple de l'artéfact de &laqno; déplacement chimique », induisant une erreur de localisation spatiale. Cette fréquence de résonance légèrement différente est également mise à profit dans les séquences dites de &laqno; suppression de graisse », ou il est possible de saturer spécifiquement ces composants par une impulsion préparatoire et éteindre leur signal lors de l'acquisition proprement dite des données de l'image en proton de l'eau.
Chaque atome, en fonction du composé biochimique qui le porte, possède une fréquence de résonance spécifique en fonction du champ magnétique utilisé. L'intensité du signal est proportionnelle à la concentration du métabolite étudié, et varie en fonction de son temps de relaxation transversal (T2). Il est possible, en étudiant la répartition de ces fréquences voisines les unes des autres, d'obtenir une caractérisation biochimique du milieu étudié. Ces différences de fréquence peuvent être quantifiées en Hertz, (variant selon l'intensité du champ), ou plus facilement en ppm (partie par million) par rapport à une référence donnée, ce &laqno; déplacement chimique » exprimé de cette façon restant alors constant quelque soit l'intensité du champ magnétique.
Les atomes les plus étudiés en SRM sont le proton 1H, le phosphore 31P, le carbone 13C, le sodium 23Na, le fluor 19F. Les contraintes techniques liées à l'intensité du signal obtenu ne permettent, in vivo, que l'étude des 2 premiers atomes, et rarement, du carbone ; l'abondance naturelle de l'isotope 13C (1 %) limite nettement son intérêt en pratique clinique, ou doit faire appel à l'injection d'un composé enrichi. Pour pouvoir distinguer les différentes résonances, il est nécessaire de disposer d'un champ magnétique si possible élevé et le plus homogène possible (shim de l'aimant). Pour l'étude protonique des différents composés, il faut supprimer le signal de l'eau par une présaturation spécifique, afin de ne pas masquer les autres composants. La localisation du signal peut se faire en utilisant une antenne de surface disposée sur la région à étudier. De façon plus complexe, il est possible de faire appel à des gradients permettant de sélectionner un volume d'intérêt (séquences de type PRESS, STEAM...). L'étude est alors de type monovoxel. Il est enfin envisageable de faire une étude multivoxel dans un plan de coupe (Chemical Shift Imaging, CSI); on obtient ainsi une imagerie spectroscopique, permettant d'obtenir une cartographie métabolique pour chaque composant étudié. Il faut enfin rappeler la difficulté du post-traitement des données (filtrage, phasage, correction de la ligne de base...), en partie opérateur-dépendant. L'idéal est de pouvoir obtenir une quantification exacte de la concentration réelle de chaque métabolite, mais ceci reste difficile en pratique.
2. Applications en neuroradiologie
Généralités
En SRM, les séquences initialement développées ont concerné l'étude du 31P, qui permet d'observer le phosphore inorganique, l'ATP et la phosphocréatine, c'est-à-dire le métabolisme énergétique. Les premières utilisations de la SRM du 31P ont permis d'observer chez l'enfant, pendant la croissance, les variations des rapports entre la phosphocréatine (PCr), le phosphate inorganique (Pi) et l'ATP, ainsi qu'entre les phospho-mono-esters (PME) et les phosphodiesters (PDE) durant les premiers mois de vie. Elles ont également permis de calculer le pH intracellulaire du cerveau à partir du déplacement chimique du phosphate inorganique comparé à celui de la phosphoprotéine [Cady et al. 1983; Boesch et al. 1989].
Pour la spectroscopie du proton, les principaux pics de métabolites observables en pratique clinique sont les suivants :
- Le myo-inositol, qui est considéré comme spécifique de la glie,
- La choline, qui est un métabolite capital lors de la synthèse et de la dégradation de la myéline ; le pic de choline comprend également la phosphocholine et la glycéro-phosphocholine ;
- La créatine et la phosphocréatine, ubiquitaires ;
- Le N-acétyl-aspartate, qui est essentiellement neuronal, mais qui est également présent dans les oligodendrocytes du cerveau néonatal.
- Le lactate, traduisant une glycolyse de type anaérobie, mais qui peut également être présent en faible quantité, de façon physiologique, en particulier chez le prématuré.
Comme pour la RMN du 31P, l'interprétation des spectres doit tenir compte des variations physiologiques en rapport avec la maturation et la myélinisation du cerveau. Avec la croissance, il existe, par rapport à la créatine, une augmentation relative du NAA (N-acétyl-aspartate) et une diminution de la choline [Van der Knapp et al. 1990]. Ces variations sont illustrées par les spectres de la figure suivante et ont été quantifiées en SRM par mesure des concentrations absolues.
L'interprétation chez le nourrisson et l'enfant doit tenir compte des variations physiologiques en rapport avec la maturation et la myélinisation du cerveau :
Étude de la souffrance neurologique néonatale
C'est le premier domaine où la SRM a été utilisée. En 31P, L'étude des accidents ischémiques montrent qu'une réduction du rapport PCr/Pi est de mauvais pronostic, de même que pour le rapport ATP/Pi [Cady et al. 1983; Roth et al. 1992]. La baisse de PCr/Pi précède celle de l'ATP, de très mauvais pronostic. Il existe un décalage entre l'accident aigu et les modifications spectrales ("secondary energy failure") [Lorek et al. 1994; Penrice et al. 1996].
En spectroscopie du proton, l'existence d'une souffrance neuronale grave se caractérise par une baisse de la concentration en NAA [Peden et al. 1990; Peden et al. 1993; Groenendaal et al. 1994; Kimura et al. 1995] et une élévation du taux de lactate [Groenendaal et al. 1994; Hanrahan et al. 1996; Penrice et al. 1996]. Ceci est d'autant plus marqué que la souffrance est sévère. Le moment auquel est réalisée l'exploration est également important, et il est capital de connaître la chronologie des événements sur le plan de la SRM pour pouvoir proposer une interprétation fiable. La baisse du NAA en particulier pourrait être un peu décalée dans le temps par rapport à l'élévation du lactate ; celui-ci pourrait se normaliser de façon transitoire entre l'accident aigu et la constitution des lésions. Ces index sont plus difficiles à apprécier dans les souffrances modérées [Chateil et al. 1999].
Spectre de SRM localisée du proton dans le cadre d'un accident ischémique; les différents pics individualisables sont : Myo : myoinositol ; Cho : choline ; Cr : créatine ; le pic de N-acétyl-aspartate (NAA) est proportionnellement plus faible ; le pic en inversion de phase visible à 1,3 ppm correspond au lactate (Lac).
L'étude d'un seul voxel n'est pas suffisante pour pouvoir obtenir une vue globale du métabolisme cérébral, car le résultat est très dépendant du positionnement du volume étudié. L'étude des concentrations relatives des différents métabolites ne fournit qu'une approche indirecte. Les acides aminés neurotransmetteurs restent actuellement difficiles à évaluer en pratique clinique, alors qu'ils sont très vraisemblablement perturbés.
Les progrès que l'on peut attendre sont les suivants :
Une standardisation des techniques, pour qu'elles soient applicables en pratique clinique, avec la prise en compte de l'imagerie de façon concomitante, en particulier l'imagerie de diffusion [Barkovich et al. 2001].
Un développement de l'imagerie spectroscopique, au minimum dans un plan de référence, sinon dans un volume, pour permettre une appréciation plus globale et une comparaison avec les données de l'imagerie [Vigneron et al. 2001].
La possibilité de quantifier de façon fiable les différents métabolites pour pouvoir obtenir des données comparables sur le plan quantitatif.
L'étude des acides aminés neurotransmetteurs par SRM reste un challenge non directement accessible aujourd'hui en clinique. Le développement des études expérimentales pourrait permettre de mieux connaître leurs variations au cours d'un accident ischémique cérébral, et ainsi secondairement d'aider la prise en charge thérapeutique.
Maladies métaboliques
Un certain nombre d'études ont été réalisées, pour déterminer des profils spécifiques pour chaque maladie ; les principales difficultés rencontrées tiennent au manque de spécificité et à la reproductibilité des résultats en fonction des régions étudiées. Voici quelques exemples dans lesquels l'apport de la SRM a été évalué :
Dans l'adrénoleucodystrophie, en SRM, il existe tout d'abord une diminution du NAA associé à une élévation de la choline, ce qui peut constituer un marqueur en faveur d'une démyélinisation active et peut aider pour prendre la décision d'un traitement au début l'expression de la maladie [Tzika et al. 1993; Engelbrecht et al. 1997]. La présence de lactate a également été observée. Les zones présentant un aspect normal en imagerie peuvent être anormales en SRM [Rajanayagam et al. 1997]. Secondairement, les niveaux de tous les métabolites sont diminués [Confort-Gouny et al. 1995]. Ces résultats ne sont toutefois pas retrouvés par tous les auteurs [Izquierdo et al. 2000].
Dans les cytopathies mitochondriales (maladie de Leigh par exemple) la mise en mise en évidence de lactate est possible au niveau des noyaux gris centraux, mais également dans la substance blanche. Là encore, la SRM manque de spécificité pour caractériser plus avant le trouble métabolique, mais peut apporter des éléments complémentaires pronostiques.
Dans la maladie de Canavan, en SRM, il existe une élévation du pic de NAA qui est parfaitement détectable en SRM ; c'est l'un des rares exemples où la spectroscopie apporte des éléments plus spécifiques [Grodd et al. 1991; Hamaguchi et al. 1993; Wittsack et al. 1996].
D'autres pathologies ont également été étudiées en SRM : acidémie propionique [Chemelli et al. 2000], maladie du sirop d'érable [Heindel et al. 1995], maladie de Pelizaeus-Merzbacher [Takanashi et al. 1997]
Les tumeurs cérébrales de l'enfant
Dans le cadre des tumeurs, différentes études ont été proposées de façon d'une part à trouver des critères permettant d'affirmer l'existence d'une tumeur, d'autre part pour essayer d'atteindre une éventuelle &laqno; caractérisation cellulaire tumorale ».
De façon générique, une tumeur se caractérise par une diminution du pic de NAA, parfois même absent, tandis que la choline reste détectable, sinon élevée [Vigneron et al. 2001]. L'étude du rapport NNA/choline pourrait avoir une valeur pronostique, les lésions les plus agressives ayant un niveau de NAA très bas [Girard et al. 1998]. La distinction entre nécrose tumorale et tissu tumoral actif pourrait également être possible [Tzika et al. 1997]. Ceci peut également être analysé après traitement, et permettrait de distinguer une radionécrose d'un résidu tumoral [Taylor et al. 1996; Norfray et al. 1999].
Par ailleurs, l'étude du cerveau à distance de la tumeur au décours du traitement a également été proposée. Il existe une diminution du NAA, d'autant plus important que différents traitements ont été combinés (radiothérapie/chimiothérapie). Ceci pourrait avoir une incidence pronostique sur le développement psychomoteur et cognitif de ces enfants [Waldrop et al. 1998].
Épilepsie
La SRM a été utilisée pour apporter des éléments diagnostiques complémentaires, en particulier dans la recherche d'une sclérose mésiale. Il existe une diminution des rapports NAA/Choline, NAA/créatine, mais il est difficile d'en retirer des arguments décisifs pour préciser l'étiologie de l'épilepsie [Holopainen et al. 1998; Parker et al. 1998]. Des résultats similaires ont été retrouvés chez l'adulte [Achten et al. 1998; Connelly et al. 1998].
Traumatologie
La spectroscopie a été proposée pour apprécier le pronostic des lésions parenchymateuses dans le cadre des traumatismes cérébraux. La baisse relative du NAA, la présence de lactate sont corrélées à un plus mauvais pronostic [Ross et al. 1998]. Ceci a également été appliqué, chez &laqno; l'enfant secoué » dans le cadre des traumatismes non accidentels [Haseler et al. 1997].
Autres applications
La SRM a été proposée pour suivre la progression de l'atteinte cérébrale chez les enfants porteurs du HIV. Les éléments retrouvés chez les enfants porteurs d'une encéphalopathie sont une basse du NAA, une élévation du myo-inisitol et une augmentation des lipides [Salvan et al. 1998].
Dans l'autisme, la perturbation des principaux métabolites a également été étudiée, la baisse du NAA étant moins marquée que dans les retards psychomoteurs [Hashimoto et al. 1997].
Conclusion
Dans de nombreux cas, la SRM pratiquée de façon complémentaire à l'imagerie permet d'apporter des éléments complémentaires, en particulier lorsqu'il existe une souffrance cellulaire ou une réduction cellulaire. Les difficultés sont en rapport avec la diffusion restreinte de la technique, et malgré sa sensibilité relative, son manque de spécificité qui doit faire confronter les résultats aux autres données.
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