Accident vasculaire cérébral ischémique et tenseur de diffusion

Article original

J. Neuroradiol., 2006, 33, 51-56 © Masson, Paris, 2006

ACCIDENT VASCULAIRE CÉRÉBRAL ISCHÉMIQUE ET TENSEUR DE DIFFUSION1 S. RODRIGO (1), C. OPPENHEIM (1), E. TOUZE (2), C. LAMY (2), V. DOMIGO (2), O. NAGGARA (1), J.L. MAS (2), D. FREDY (1), J.F. MEDER (1) (1) Département d’Imagerie Morphologique et Fonctionnelle, (2) Service de Neurologie, Centre hospitalier Sainte-Anne, 1 rue Cabanis, 75674 Paris cedex 14.

RÉSUMÉ Objectif : Comparer les sensibilités respectives d’une séquence en tenseur de diffusion (9 directions) avec une séquence de diffusion standard (3 directions) pour la visualisation de lésions ischémiques récentes. Matériels et méthodes : 41 patients (18 déficits transitoires, 23 déficits persistants, IRM ≤ 48 heures) suspects d’accident ischémique ont bénéficié de deux séquences de diffusion (gradients de diffusion appliqués dans 3 directions, 2 excitations, durée : 40 secondes et 9 directions, 1 excitation, durée : 50 secondes, autres paramètres identiques). Pour ces deux séquences, les variables suivantes ont été comparées (test de Wilcoxon) : nombre de lésions ischémiques récentes, étendue, valeur absolue du signal et de l’ADC, valeur relative du signal et ratio d’ADC. L’anisotropie fractionnée a été mesurée au sein de la lésion sur la séquence à 9 directions. Résultats : 24 patients avaient des lésions ischémiques sur les 2 séquences. Chez 4 d’entre eux (dont un AIT), la séquence à 9 directions montrait plus de lésions (< 5 mm) que la séquence à 3 directions. Les deux séquences étaient normales chez les 17 autres patients (AIT = 4, diagnostic différentiel = 7, indéterminé = 6). Il n’existait pas de différence significative entre les séquences à 3 et 9 directions pour les autres paramètres étudiés. L’anisotropie fractionnée était en moyenne abaissée de 10 % au sein des lésions ischémiques. Conclusion : La séquence en tenseur de diffusion qui permet des mesures d’anisotropie, montre davantage de lésions que la séquence de diffusion standard et pourrait ainsi la remplacer en routine clinique. Mots-clés : accident vasculaire cérébral ischémique, accident ischémique transitoire, tenseur de diffusion, IRM de diffusion.

SUMMARY Cerebral arterial infarction and diffusion tensor imaging Purpose: Diffusion-weighted imaging (3 directions) and diffusion tensor imaging (9 directions) were compared for their sensitivity to detect ischemic lesion. Materials and methods: 41 patients (18 supposed transient ischemic attacks, 23 arterial stroke, MRI≤48h) presenting with stroke syndrome were imaged using two diffusion sequences (3 directions, 2 excitations, acquisition time: 40 seconds and 9 directions, 1 excitation, acquisition time: 50 seconds, other parameters being identical). The following variables were compared (Wilcoxon test): number and extent of lesions, MRI signal and absolute ADC values, relative signal intensity and ADC ratio. Fractional anisotropy was measured within the principal lesion on the 9 directions sequence. Results: 24 patients presented a lesion on both sequences. Four of them (including one TIA) had more lesions (<5 mm) on the 9 directions sequence than on the 3 directions sequence. Both sequences were normal for the 17 remaining patients (TIA=4, differential diagnosis=7, indeterminate=6). No significant difference was found for the other study parameters between 3 vs 9 directions sequences. There was a 10% decrease of the mean fractional anisotropy in ischemic lesion. Conclusion: By showing more lesions than standard diffusion-weighted imaging and providing quantitative anisotropy measurements, diffusion tensor imaging could replace the standard 3 directions diffusion-weighted sequence. Key words: cerebral arterial infarction, transient ischemic attack, diffusion-weighted imaging, diffusion tensor imaging.

L’imagerie de diffusion est un outil essentiel pour le diagnostic de l’ischémie artérielle aiguë, l’intérêt de cette séquence d’IRM a été exposé dès le milieu des années 1980 par Denis Le Bihan [6]. Les travaux les plus récents en démontrent l’intérêt dans la prise en charge précoce de l’ischémie cérébrale [10] et soulignent ainsi le manque de sensibilité des séquences conventionnelles d’IRM et du scanner [18]. L’étude de cette pathologie par le biais d’un seul paramètre issu de la séquence de diffusion, le cœfficient apparent de diffusion (ADC), permet de mieux caractériser en IRM le parenchyme cérébral ischémique [11]. La séquence en tenseur de diffu-

sion (DTI), outre son intérêt pour l’étude de la substance blanche [7, 8, 15], autorise en théorie une meilleure évaluation de l’ADC et permet de quantifier le phénomène d’anisotropie [13, 19]. Ce dernier est peu décrit à la phase aiguë de l’ischémie cérébrale artérielle [17] puisque non accessible avec la séquence usuelle de diffusion ou séquence pondérée en diffusion (DWI). L’objectif de ce travail est de comparer la sensibilité de ces deux types séquences en diffusion pour la détection de lésions à la phase aiguë de l’ischémie artérielle.

MATÉRIELS ET MÉTHODES Tirés à part : S. RODRIGO, à l’adresse ci-dessus. 1 Prix Schering du poster de Neuroradiologie diagnostique présenté lors du Congrès de la Société Française de Neuroradiologie, 2004.

Notre étude a porté sur 41 patients non-consécutifs (moyenne d’âge : 52 ans ± 16 ans) suspects d’accident

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ischémique datant de moins de 48 heures (moyenne 20 heures). Les critères d’exclusion se résumaient à un délai de prise en charge supérieure à 48 heures.

Protocole d’imagerie Le protocole d’IRM a comporté des séquences FLAIR, T2*, une angiographie en temps de vol centrée sur le polygone de Willis et deux types de séquences en diffusion (tableau I).

Méthode d’analyse des images Une relecture de chaque examen a été réalisée sur une console de post-traitement, en relevant la présence ou non de signes d’accident ischémique sur les séquences conventionnelles (par un observateur). À l’aide d’un logiciel dédié (Functool, General Electric, Buc, France), les cartes d’ADC ont été calculées pour les deux séquences de diffusion, ainsi que la cartographie d’anisotropie fractionnée pour le tenseur de diffusion. Sur les images de diffusion (image isotropique) ont été analysées le nombre et le volume de chaque lésion. Une région d’intérêt (ROI) a été placée au centre de chaque lésion (< 30 mm2) et de chaque région homologue placée en miroir dans l’hémisphère controlatéral afin d’obtenir une mesure du signal (en unité arbitraire) et le ratio de signal du côté pathologique par rapport au côté sain (rSignal). Sur les cartographies d’ADC ont été retenues la valeur absolue d’ADC des lésions et le ratio d’ADC de la ROI pathologique par rapport au côté sain (rADC). De même, des ratios d’anisotropie ont été calculés sur les cartes d’anisotropie fractionnée. Un test non paramétrique de Wilcoxon a comparé ces différents indices entre les séquences à 3 directions (DWI) et à 9 directions (DTI). Si plusieurs lésions étaient présentes, seule la plus volumineuse en taille était retenue pour les mesures.

RÉSULTATS Analyse qualitative Sur les 41 patients, 17 n’avaient aucune anomalies significatives sur les séquences DWI et DTI. Sur la base des données cliniques et paracliniques disponi-

TABLEAU I. – Séquences pondérées en diffusion et en tenseur diffusion utilisées. TABLE I. – Parameters of the two sequences used: diffusion weighted imaging and diffusion tensor imaging. Séquence pondérée en diffusion DWI – 3 directions

Tenseur de diffusion DTI – 9 directions

b = 0-1 000 s/mm2

b = 0-700 s/mm2

Pondération T2 – single shot EPI

Idem

Gradients : 3 directions

9 directions

TR = 5 000, TE = 86 ms

TR = 5000, TE = 86 ms

20 coupes axiales

20 coupes axiales

Épaisseur de coupe à 6 mm, sans gap

Idem

Matrice

1282

Idem

2 excitations

1 excitation

Temps d’acquisition : 40 secondes

50 secondes

bles en fin d’hospitalisation, les diagnostics suivants ont été retenus : quatre accidents vasculaires ischémiques transitoires, trois épisodes migraineux, deux crises convulsives partielles, un vertige, une conversion hystérique, et l’absence de cause évidente pour six patients. Les deux séquences (DWI et DTI) ont conduit aux même conclusions pour vingt des vingt quatre patients restants ; il s’agissait alors exclusivement d’accidents ischémiques constitués. Concernant les quatre sujets restants, la séquence DTI s’est montrée supérieure à la séquence DWI pour détecter davantage de lésions ischémiques. Il s’agissait de trois accidents constitués et d’un accident ischémique transitoire (figures 1 à 4).

Analyse quantitative Comme l’indique le tableau II, il n’existait pas de différences significatives entre les deux séquences de diffusion pour les indices suivants : rSignal, volume de la lésion ischémique, rADC, valeur absolue de l’ADC de la ROI du côté pathologique. En moyenne, une baisse de 10 % de l’anisotropie au cours de l’ischémie artérielle était observée par rapport au côté sain (90 ± 30 %) (figure 5 et tableau II).

ab FIG. 1. – Accident ischémique constitué, IRM à 2 heures du début du déficit – lésion ischémique de la racine du sillon central droit (flèche supérieure), lésion pariétale droite visible uniquement en tenseur (flèche inférieure). Images isotropiques : tenseur à 9 directions (a) et diffusion à 3 directions (b). FIG. 1. – Cerebral infarction, MRI 2 hours after symptom onset – acute infarction at the roof of the right central sulcus (superior arrow) and additional infarction within right parietal lobe only seen using diffusion tensor imaging (inferior arrow). Isotropic images: diffusion tensor imaging 9 directions (a), diffusion weighted imaging (b).

TENSEUR DE DIFFUSION ET AVC

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ab FIG. 2. – Accident ischémique constitué, IRM à 24 heures du début du déficit – lésion ischémique à la racine du sillon post-central droit, lésion frontale supérieure droite visible uniquement en tenseur (flèche). Images isotropiques : tenseur à 9 directions (a) et diffusion à 3 directions (b). FIG. 2. – Cerebral infarction, MRI 24 hours after symptom onset – ischemic core located at the roof of the post-central sulcus, additional infarction within right anterior frontal region only seen using diffusion tensor imaging (arrow). Isotropic images: diffusion tensor imaging 9 directions (a) and diffusion weighted imaging (b).

ab

FIG. 3. – Lésion ischémique occipitale interne bilatérale constituée, IRM à 36 heures du début du déficit – lésions supplémentaire occipitale droite (flèche inférieure) et meilleure délimitation de l’atteinte du vermis supérieur (flèche supérieure). Images isotropiques : tenseur à 9 directions (a) et diffusion à 3 directions (b). FIG. 3. – Bilateral occipital ischemic lesion core, MRI 36 hours after symptom onset – additional infarction involving right occipital lobe (superior arrow) and enhanced lesion delineation within superior vermis (inferior arrow) using diffusion tensor imaging. Isotropic images: diffusion tensor imaging 9 directions (a) and diffusion weighted imaging (b).

ab

FIG. 4. – Accident ischémique transitoire, IRM à 24 heures du début du déficit – lésion de la racine du sillon occipito-pariétale droit visible uniquement en tenseur (flèche). Images isotropiques : tenseur à 9 directions (a) et diffusion à 3 directions (b). FIG. 4. – Transient ischemic attack, MRI 24 hours after symptom onset – ischemic core at the roof of the right parieto-occipital sulcus arrow only seen using diffusion tensor imaging. Isotropic images: diffusion tensor imaging 9 directions (a) and diffusion weighted imaging (b).

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cérébral avec réalisation d’une IRM dans les 48 premières heures après la survenue du déficit que : 1) l’image isotropique obtenue à partir du tenseur de diffusion à 9 directions était plus sensible que celle habituellement obtenue avec une séquence de diffusion à 3 directions chez 4 patients (10 %) ; 2) les valeurs d’ADC obtenues par les deux méthodes ne différaient pas de façon significative ; 3) les valeurs d’anisotropie, calculables uniquement à partir de l’imagerie en tenseur de diffusion, étaient en moyenne abaissées.

Images isotropiques

FIG. 5. – Carte d’anisotropie fractionnée – Lésion ischémique du striatum droit, chute focale de l’anisotropie fractionnée du noyau lenticulaire droit (pointillés). FIG. 5. – Fractional anisotropy map – right striatal ischemic core as a located fractional anisotropy drop within the right lentiform nulceus (area outlined in dotted line).

DISCUSSION Dans les premières heures suivant l’apparition d’un déficit neurologique brutal, la séquence d’IRM de diffusion s’est imposée pour l’imagerie directe et précoce du parenchyme cérébral ischémique [9]. La séquence de diffusion telle qu’elle est utilisée en routine clinique (3 directions) présente cependant des limites notamment pour les lésions de petite taille (5 mm) : existence de faux négatifs dans les premières heures [12], erreur de calcul d’ADC, difficultés d’interprétation dues aux effets d’anisotropie, distorsions dus aux effets de susceptibilité magnétique. La séquence en tenseur de diffusion [15] offre une meilleure résolution angulaire que la séquence de diffusion à trois directions, un calcul d’ADC théoriquement plus précis et donne accès aux paramètres d’anisotropie. Notre étude a montré, dans une population de 41 patients suspects d’accident ischémique

Les deux séquences comparées dans notre étude, hormis le nombre de directions, ne différaient essentiellement que par la valeur de b et le nombre d’excitations. La valeur de b = 700 s/mm2 utilisée pour la séquence DTI, permet d’obtenir un rapport signal sur bruit (S/B) plus élevé qu’avec b = 1000 s/mm2 en DWI. En effet, selon AS = e–bADC, la décroissance exponentielle du signal (AS : atténuation du signal) est plus faible lorsque la valeur de b diminue. En outre, l’image isotropique correspond à la moyenne des images brutes pondérées en diffusion selon le nombre de directions : 3 séries d’images pour la séquence de diffusion utilisée en routine clinique et 9 pour la séquence en tenseur. Le nombre plus élevé d’acquisitions conduit également à une augmentation du rapport signal à bruit en faveur de la séquence à 9 directions. Le nombre d’excitations plus élevé pour la séquence à 3 directions (2 excitations) ne compensait que partiellement cette différence. Toutes les lésions détectées uniquement par la séquence en tenseur de diffusion étaient de petites tailles (< 5 mm). Leur détection s’explique donc probablement par une amélioration du rapport S/B et ainsi de la résolution en contraste et spatiale de l’image isotropique en tenseur.

ADC Sur la population de patients étudiés, il n’existait pas de différences significatives entre les valeurs d’ADC obtenues à partir des séquences DTI et DWI. Ce résultat confirme la relative fiabilité de la

TABLEAU II. – Résultats des paramètres quantitatifs. TABLE II. – Results of quantitative parameters. DWI (moyenne et déviation standard)

DTI (moyenne et déviation standard)

Wilcoxon (p < .05)

176 ± 40

159 ± 44

ns

11,5 ± 29

12,5 ± 31

ns

73 ± 19

75 ± 17

ns

590 ± 198

612 ± 153

ns

Image isotropique Ratio de signal (%) Volume

(cm3)

Cartes d’ADC Ratio d’ADC (%) Valeur absolue

(10–6

mm2/s)

Anisotropie fractionnée (% de la ROI pathologique par rapport au côté sain)

90 ± 30

TENSEUR DE DIFFUSION ET AVC

méthode de calcul d’ADC telle qu’elle est habituellement pratiquée en routine clinique. L’absence de différence entre les deux techniques suggère que les éléments hors diagonale de la matrice du tenseur puissent ne pas être déterminant pour le calcul d’ADC, comme c’est le cas dans un milieu parfaitement isotrope. L’ischémie atteint préférentiellement la substance grise qui est une structure très faiblement anisotrope. En revanche, la substance blanche saine est fortement anisotrope. Cependant cette anisotropie pourrait, comme nous l’avons montré dans notre travail, diminuer au décours d’un accident ischémique. Ainsi l’ensemble du tissu ischémique pourrait être relativement isotrope, expliquant l’apport modéré de l’approche en tenseur pour le seul calcul d’ADC.

Anisotropie Notre étude retrouve en moyenne une baisse de 10 % d’anisotropie fractionnée dans les 48 premières heures de l’ischémie cérébrale avec une variance importante expliquée en partie par la taille de l’échantillon (tableau II). Pour certains, cette baisse d’anisotropie serait précédée d’une augmentation des index d’anisotropie [1]. Observée chez l’homme et l’animal, cette augmentation pourrait s’expliquer par un gonflement des fibres myélinisées [3, 17], réduisant l’espace entre les fibres de substance blanche et accentuant les contraintes directionnelles au déplacement des molécules. La baisse d’anisotropie observée dans notre étude serait plutôt la conséquence d’une désorganisation de l’architecture tissulaire et d’une perte de l’intégrité des parois cellulaires. Nous n’avons pas observé en moyenne d’augmentation de l’anisotropie en raison du délai de réalisation de l’imagerie (20 heures en moyenne). Une étude restreinte à un délai de prise en charge plus court (inférieure à 6 heures) aurait probablement permis de se concentrer sur cette augmentation d’anisotropie à la phase précoce de l’ischémie.

Limites Notre étude comporte un certain nombre de limites. Tout d’abord, il s’agit d’une étude rétrospective avec un échantillon relativement faible (n = 41). Le manque de puissance statistique qui en découle ne permet pas de répondre à toutes nos interrogations. Peu de patients ont été étudiés dans les six premières heures (n = 2), conduisant à l’absence de conclusion sur l’apport du tenseur de diffusion pour mieux caractériser la pénombre ischémique. Les patients dont l’état clinique était alarmant n’ont pas bénéficié du protocole d’imagerie utilisé dans cette étude ; il s’agit donc de sujets non-consécutifs introduisant potentiellement des biais de sélection. Enfin, la méthode d’analyse par région d’intérêt du signal reste une approche réductrice, faiblement reproductible. Une alternative consisterait à analyser l’ensemble des pixels de l’image. Un exemple de cette méthode est l’analyse en statistique paramétrique des volumes 3D pondérées T1 (« voxel based morphometry ») dont les résultats sont prometteurs en dépit

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des querelles méthodologiques qu’elle suscite [2]. Des résultats préliminaires en montrent l’intérêt pour l’étude des cartes d’anisotropie et d’ADC [4, 5, 14].

Implications cliniques Nos résultats suggèrent que la séquence en tenseur de diffusion puisse être utile dans toutes les situations cliniques dans lesquelles le contraste attendu des lésions est faible : 1) détection de lésions ischémique de petite taille, unique ou multiple, quelle que soit la durée du déficit ; 2) déficit neurologique transitoire puisque la baisse d’ADC associée aux hypersignaux en diffusion standard est dans ce cas habituellement plus modérée qu’en cas de déficit persistant ; 3) au stade hyperaigu, lorsque la baisse d’ADC est encore modérée et le contraste des lésions encore faible. Ce possible bénéfice reste à évaluer sur une population restreinte à un délai de prise en charge précoce. Chez les patients ayant un déficit transitoire (< 24 h), l’imagerie était encore récemment considérée comme négative. Dans notre étude, l’imagerie a été contributive dans 20 % des cas de déficit transitoire. Ce résultat préliminaire apparaît concordant avec les données de la littérature qui plaident pour l’intérêt de l’IRM dans la démarche diagnostique des accidents ischémiques transitoires [16].

CONCLUSION Notre travail a montré l’intérêt de la séquence en tenseur de diffusion dans la démarche diagnostique des patients suspects d’accident ischémique constitué ou transitoire. Comparativement à la séquence de diffusion usuelle, et au prix d’un allongement du temps d’acquisition de 10 secondes, la séquence en tenseur de diffusion offre une imagerie de meilleure résolution en contraste et spatiale. Le bénéfice d’une modification de la séquence de diffusion sur la prise en charge des patients suspects d’accidents ischémiques transitoires et de ceux qui sont adressés immédiatement après la survenue du déficit, reste à préciser au moyen d’une étude prospective.

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