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