Diffusion weighted imaging (DWI) and dynamic susceptibility contrast-enhanced (DSC) perfusion-weighted imaging (PWI) are commonly employed in clinical practice and in research to give pathophysiological information for patients with acute ischemic stroke. DWI is thought to roughly reflect the severely damaged infarct core, while DSC-PWI reflects the area of hypoperfusion. The volumetric difference between DWI and DSC-PWI is termed the PWI/DWI-mismatch, and has been suggested as an MRI surrogate of the ischemic penumbra. However, due to the application of a contrast agent, which has potentially severe side-effects (e.g., nephrogenic systemic fibrosis), the DSC-PWI precludes repetitive examinations for monitoring purposes. New approaches are being sought to overcome this shortcoming. BOLD (blood oxygen-level dependent) signal can reflect the metabolism of blood oxygen in the brain and hemodynamics can be assessed with resting-state fMRI. The aim of this thesis was to use resting-state fMRI as a new approach to give similar information as DSC-PWI. This thesis comprises two studies: In the first study (see Chapter 2), two resting-state fMRI methods, local methods which compare low frequency amplitudes between two hemispheres and a k-means clustering approach, were applied to investigate the functional damage of patients with acute ischemic stroke both in the time domain and frequency domain. We found that the lesion areas had lower amplitudes than contralateral homotopic healthy tissues. We also differentiated the lesion areas from healthy tissues using a k-means clustering approach. In the second study (see Chapter 3), time-shift analysis (TSA), which assesses time delays of the spontaneous low frequency fluctuations of the resting-state BOLD signal, was applied to give similar pathophysiological information as DSC-PWI in the acute phase of stroke. We found that areas which showed a pronounced time delay to the respective mean time course were very similar to the hypoperfusion area. In summary, we suggest that the resting-state fMRI methods, especially the time-shift analysis (TSA), may provide comparable information to DSC-PWI and thus serve as a useful diagnostic tool for stroke MRI without the need for the application of a contrast agent.

Après traitement d’un AIC par thrombolyse, les lésions ischémiques en diffusion peuvent être réversibles, stables et/ou progresser. Cette thèse a pour objectif d’étudier en IRM ces phénomènes de réversibilité et de progression, de mieux comprendre leur physiopathologie, et d’appréhender le rôle pronostic du volume des lésions en diffusion. La réversibilité en diffusion a été rapportée après recanalisation artérielle, chez l’animal et chez l’homme. Dans notre cohorte de 155 patients, nous avons étudié ce phénomène par une analyse voxel à voxel sur des IRM avant et 24h après thrombolyse. Nous avons montré que la réversibilité des anomalies en diffusion à 24h était fréquente et surtout persistait sur une IRM plus tardive (médiane 54h) pour plus de 70% des voxels [58.0-85.9], suggérant que ce phénomène n’était pas transitoire. De plus, seule la réversibilité permanente était associée à une amélioration neurologique à 24h (OR=1.15, CI95%[ 1.03-1.27], P=0.008 par mL). La substance blanche a été décrite comme plus résistante à l’ischémie sur des modèles murins. Chez l’homme, nous avons confirmé la prédominance en substance blanche des phénomènes de réversibilité, avec une probabilité de régression plus importante pour un voxel de substance blanche que pour un voxel de substance grise. Ces résultats pourraient aider à identifier avant décision thérapeutique les lésions potentiellement réversibles, c'est-à-dire celles prédominant en substance blanche. Même s’il existe une association entre le volume de lésion en diffusion avant traitement et le pronostic fonctionnel à 3 mois, la réversibilité des lésions pourrait remettre en cause les seuils de volume au-delà desquels une revascularisation pourrait être futile. En effet, en limitant la progression des anomalies en diffusion et en favorisant leur régression, la revascularisation pourrait aussi avoir un impact sur le pronostic fonctionnel des patients avec un large volume lésionnel (≥70mL). Dans une population de 267 patients avec un infarctus de l’artère cérébrale moyenne traités par thrombolyse, 54 avaient un volume en diffusion ≥70mL, dont 12(22%) avaient un pronostic fonctionnel favorable à 3 mois. L’odds-ratio de la recanalisation pour le pronostic fonctionnel favorable dans le groupe ≥70mL était de 4.87 [1.15-20.73], P=0.03 en faveur d’un impact positif de la recanalisation même dans ce groupe. En l’absence de reperfusion, les anomalies en diffusion progressent au sein de la pénombre ischémique. Selon le modèle « core/pénombre », cette progression lésionnelle ne doit pas s’accompagner d’une aggravation neurologique. Nous avons formulé l’hypothèse que si elle survenait au-delà de la pénombre (dans des zones asymptomatiques), elle s’accompagnerait d’une détérioration neurologique. La détérioration neurologique précoce non expliquée (absence de transformation hémorragique, d’œdème malin ou d’autre cause identifiable) est observée chez 7% de nos 309 patients thrombolysés. Nous avons validé l’hypothèse initiale d’une progression des anomalies en diffusion au-delà de la pénombre chez ces patients. Par une analyse voxel à voxel, elle était présente chez 9 cas/10 (7-137mL; > 10mL chez 8 cas), et son volume était significativement supérieur à celui des 30 contrôles sans détérioration précoce (P=0.047). De plus, sa topographie était congruente avec les fonctions neurologiques qui s’étaient détériorées. L’ensemble de ces résultats participe à une meilleure compréhension de l’évolution des lésions ischémiques aiguës en IRM de diffusion et offre des perspectives pour adapter la prise en charge individuelle afin d’améliorer le pronostic fonctionnel. / Within the first 24 hours after IV-rtPA, diffusion-weighted ischemic lesions can reverse, remain stable or grow. The aim of this thesis is to study these reversal and growth phenomena, to better understand their pathophysiology and to gain insight into the prognostic value of diffusion lesion volume. Diffusion lesion reversal was reported in animals and humans after arterial recanalization. In our sample of 155 patients, we studied this phenomenon with MRI performed before and 24 hours after thrombolysis using a voxel-based approach. First, we demonstrated that 24 hours diffusion reversal was frequent and sustained on a late MRI (median 54h) for over two-thirds of the voxels. Second, sustained reversal was associated with 24hr neurological improvement (OR=1.15, IC95%[ 1.03-1.27], P=0.008 per 1mL). Animal studies have suggested that white matter is more resistant to ischemia than gray matter. In humans, we confirmed that diffusion lesion reversal was more frequent in white matter than in gray matter and disclosed that white matter voxels were more prone to reverse than gray matter voxels. The amount of white matter in the initial diffusion lesion may therefore be a significant determinant of reversibility. Large diffusion lesion volume is associated with poor outcome. However, revascularization therapy can prevent infarct growth or even promote lesion reversal. It is still unclear whether these treatments are beneficial in patients with large diffusion volumes (≥70mL). In our series including 267 patients with middle cerebral artery stroke treated with thrombolysis, 54 patients had a ≥70mL diffusion volume, of which 12(22%) had a 3 month favorable outcome. Odds-ratio of recanalization for favorable outcome in the ≥70mL group was 4.87 [1.15-20.73], P=0.03 supporting a benefit of recanalization in this subgroup. Diffusion lesions growth is usually located within the ischemic penumbra. We hypothesized that if it occurred beyond its boundaries, it would translate into neurological deterioration. Unexplained early neurological deterioration is frequent (70% of early neurological deteriorations, 7% in our series of 309 thrombolysed patients) and its causes are not well-known (no symptomatic intra cerebral hemorrhage, malignant edema or post-stroke seizure). We confirmed our hypothesis in these patients with diffusion growth beyond the penumbra. This growth occurred in 9 of the 10 studied patients (7-137mL; > 10mL in 8 patients) and it was significantly larger than in the 30 controls with early neurological deterioration (P=0.047). Moreover its topography matched the neurological items that deteriorated. All together, these results contribute to a better understanding of acute ischemic lesions using diffusion-weighted imaging and may offer perspectives to adapt individual patient care.

Après traitement d’un AIC par thrombolyse, les lésions ischémiques en diffusion peuvent être réversibles, stables et/ou progresser. Cette thèse a pour objectif d’étudier en IRM ces phénomènes de réversibilité et de progression, de mieux comprendre leur physiopathologie, et d’appréhender le rôle pronostic du volume des lésions en diffusion. La réversibilité en diffusion a été rapportée après recanalisation artérielle, chez l’animal et chez l’homme. Dans notre cohorte de 155 patients, nous avons étudié ce phénomène par une analyse voxel à voxel sur des IRM avant et 24h après thrombolyse. Nous avons montré que la réversibilité des anomalies en diffusion à 24h était fréquente et surtout persistait sur une IRM plus tardive (médiane 54h) pour plus de 70% des voxels [58.0-85.9], suggérant que ce phénomène n’était pas transitoire. De plus, seule la réversibilité permanente était associée à une amélioration neurologique à 24h (OR=1.15, CI95%[ 1.03-1.27], P=0.008 par mL). La substance blanche a été décrite comme plus résistante à l’ischémie sur des modèles murins. Chez l’homme, nous avons confirmé la prédominance en substance blanche des phénomènes de réversibilité, avec une probabilité de régression plus importante pour un voxel de substance blanche que pour un voxel de substance grise. Ces résultats pourraient aider à identifier avant décision thérapeutique les lésions potentiellement réversibles, c'est-à-dire celles prédominant en substance blanche. Même s’il existe une association entre le volume de lésion en diffusion avant traitement et le pronostic fonctionnel à 3 mois, la réversibilité des lésions pourrait remettre en cause les seuils de volume au-delà desquels une revascularisation pourrait être futile. En effet, en limitant la progression des anomalies en diffusion et en favorisant leur régression, la revascularisation pourrait aussi avoir un impact sur le pronostic fonctionnel des patients avec un large volume lésionnel (≥70mL). Dans une population de 267 patients avec un infarctus de l’artère cérébrale moyenne traités par thrombolyse, 54 avaient un volume en diffusion ≥70mL, dont 12(22%) avaient un pronostic fonctionnel favorable à 3 mois. L’odds-ratio de la recanalisation pour le pronostic fonctionnel favorable dans le groupe ≥70mL était de 4.87 [1.15-20.73], P=0.03 en faveur d’un impact positif de la recanalisation même dans ce groupe. En l’absence de reperfusion, les anomalies en diffusion progressent au sein de la pénombre ischémique. Selon le modèle « core/pénombre », cette progression lésionnelle ne doit pas s’accompagner d’une aggravation neurologique. Nous avons formulé l’hypothèse que si elle survenait au-delà de la pénombre (dans des zones asymptomatiques), elle s’accompagnerait d’une détérioration neurologique. La détérioration neurologique précoce non expliquée (absence de transformation hémorragique, d’œdème malin ou d’autre cause identifiable) est observée chez 7% de nos 309 patients thrombolysés. Nous avons validé l’hypothèse initiale d’une progression des anomalies en diffusion au-delà de la pénombre chez ces patients. Par une analyse voxel à voxel, elle était présente chez 9 cas/10 (7-137mL; > 10mL chez 8 cas), et son volume était significativement supérieur à celui des 30 contrôles sans détérioration précoce (P=0.047). De plus, sa topographie était congruente avec les fonctions neurologiques qui s’étaient détériorées. L’ensemble de ces résultats participe à une meilleure compréhension de l’évolution des lésions ischémiques aiguës en IRM de diffusion et offre des perspectives pour adapter la prise en charge individuelle afin d’améliorer le pronostic fonctionnel. / Within the first 24 hours after IV-rtPA, diffusion-weighted ischemic lesions can reverse, remain stable or grow. The aim of this thesis is to study these reversal and growth phenomena, to better understand their pathophysiology and to gain insight into the prognostic value of diffusion lesion volume. Diffusion lesion reversal was reported in animals and humans after arterial recanalization. In our sample of 155 patients, we studied this phenomenon with MRI performed before and 24 hours after thrombolysis using a voxel-based approach. First, we demonstrated that 24 hours diffusion reversal was frequent and sustained on a late MRI (median 54h) for over two-thirds of the voxels. Second, sustained reversal was associated with 24hr neurological improvement (OR=1.15, IC95%[ 1.03-1.27], P=0.008 per 1mL). Animal studies have suggested that white matter is more resistant to ischemia than gray matter. In humans, we confirmed that diffusion lesion reversal was more frequent in white matter than in gray matter and disclosed that white matter voxels were more prone to reverse than gray matter voxels. The amount of white matter in the initial diffusion lesion may therefore be a significant determinant of reversibility. Large diffusion lesion volume is associated with poor outcome. However, revascularization therapy can prevent infarct growth or even promote lesion reversal. It is still unclear whether these treatments are beneficial in patients with large diffusion volumes (≥70mL). In our series including 267 patients with middle cerebral artery stroke treated with thrombolysis, 54 patients had a ≥70mL diffusion volume, of which 12(22%) had a 3 month favorable outcome. Odds-ratio of recanalization for favorable outcome in the ≥70mL group was 4.87 [1.15-20.73], P=0.03 supporting a benefit of recanalization in this subgroup. Diffusion lesions growth is usually located within the ischemic penumbra. We hypothesized that if it occurred beyond its boundaries, it would translate into neurological deterioration. Unexplained early neurological deterioration is frequent (70% of early neurological deteriorations, 7% in our series of 309 thrombolysed patients) and its causes are not well-known (no symptomatic intra cerebral hemorrhage, malignant edema or post-stroke seizure). We confirmed our hypothesis in these patients with diffusion growth beyond the penumbra. This growth occurred in 9 of the 10 studied patients (7-137mL; > 10mL in 8 patients) and it was significantly larger than in the 30 controls with early neurological deterioration (P=0.047). Moreover its topography matched the neurological items that deteriorated. All together, these results contribute to a better understanding of acute ischemic lesions using diffusion-weighted imaging and may offer perspectives to adapt individual patient care.

Après traitement d’un AIC par thrombolyse, les lésions ischémiques en diffusion peuvent être réversibles, stables et/ou progresser. Cette thèse a pour objectif d’étudier en IRM ces phénomènes de réversibilité et de progression, de mieux comprendre leur physiopathologie, et d’appréhender le rôle pronostic du volume des lésions en diffusion. La réversibilité en diffusion a été rapportée après recanalisation artérielle, chez l’animal et chez l’homme. Dans notre cohorte de 155 patients, nous avons étudié ce phénomène par une analyse voxel à voxel sur des IRM avant et 24h après thrombolyse. Nous avons montré que la réversibilité des anomalies en diffusion à 24h était fréquente et surtout persistait sur une IRM plus tardive (médiane 54h) pour plus de 70% des voxels [58.0-85.9], suggérant que ce phénomène n’était pas transitoire. De plus, seule la réversibilité permanente était associée à une amélioration neurologique à 24h (OR=1.15, CI95%[ 1.03-1.27], P=0.008 par mL). La substance blanche a été décrite comme plus résistante à l’ischémie sur des modèles murins. Chez l’homme, nous avons confirmé la prédominance en substance blanche des phénomènes de réversibilité, avec une probabilité de régression plus importante pour un voxel de substance blanche que pour un voxel de substance grise. Ces résultats pourraient aider à identifier avant décision thérapeutique les lésions potentiellement réversibles, c'est-à-dire celles prédominant en substance blanche. Même s’il existe une association entre le volume de lésion en diffusion avant traitement et le pronostic fonctionnel à 3 mois, la réversibilité des lésions pourrait remettre en cause les seuils de volume au-delà desquels une revascularisation pourrait être futile. En effet, en limitant la progression des anomalies en diffusion et en favorisant leur régression, la revascularisation pourrait aussi avoir un impact sur le pronostic fonctionnel des patients avec un large volume lésionnel (≥70mL). Dans une population de 267 patients avec un infarctus de l’artère cérébrale moyenne traités par thrombolyse, 54 avaient un volume en diffusion ≥70mL, dont 12(22%) avaient un pronostic fonctionnel favorable à 3 mois. L’odds-ratio de la recanalisation pour le pronostic fonctionnel favorable dans le groupe ≥70mL était de 4.87 [1.15-20.73], P=0.03 en faveur d’un impact positif de la recanalisation même dans ce groupe. En l’absence de reperfusion, les anomalies en diffusion progressent au sein de la pénombre ischémique. Selon le modèle « core/pénombre », cette progression lésionnelle ne doit pas s’accompagner d’une aggravation neurologique. Nous avons formulé l’hypothèse que si elle survenait au-delà de la pénombre (dans des zones asymptomatiques), elle s’accompagnerait d’une détérioration neurologique. La détérioration neurologique précoce non expliquée (absence de transformation hémorragique, d’œdème malin ou d’autre cause identifiable) est observée chez 7% de nos 309 patients thrombolysés. Nous avons validé l’hypothèse initiale d’une progression des anomalies en diffusion au-delà de la pénombre chez ces patients. Par une analyse voxel à voxel, elle était présente chez 9 cas/10 (7-137mL; > 10mL chez 8 cas), et son volume était significativement supérieur à celui des 30 contrôles sans détérioration précoce (P=0.047). De plus, sa topographie était congruente avec les fonctions neurologiques qui s’étaient détériorées. L’ensemble de ces résultats participe à une meilleure compréhension de l’évolution des lésions ischémiques aiguës en IRM de diffusion et offre des perspectives pour adapter la prise en charge individuelle afin d’améliorer le pronostic fonctionnel. / Within the first 24 hours after IV-rtPA, diffusion-weighted ischemic lesions can reverse, remain stable or grow. The aim of this thesis is to study these reversal and growth phenomena, to better understand their pathophysiology and to gain insight into the prognostic value of diffusion lesion volume. Diffusion lesion reversal was reported in animals and humans after arterial recanalization. In our sample of 155 patients, we studied this phenomenon with MRI performed before and 24 hours after thrombolysis using a voxel-based approach. First, we demonstrated that 24 hours diffusion reversal was frequent and sustained on a late MRI (median 54h) for over two-thirds of the voxels. Second, sustained reversal was associated with 24hr neurological improvement (OR=1.15, IC95%[ 1.03-1.27], P=0.008 per 1mL). Animal studies have suggested that white matter is more resistant to ischemia than gray matter. In humans, we confirmed that diffusion lesion reversal was more frequent in white matter than in gray matter and disclosed that white matter voxels were more prone to reverse than gray matter voxels. The amount of white matter in the initial diffusion lesion may therefore be a significant determinant of reversibility. Large diffusion lesion volume is associated with poor outcome. However, revascularization therapy can prevent infarct growth or even promote lesion reversal. It is still unclear whether these treatments are beneficial in patients with large diffusion volumes (≥70mL). In our series including 267 patients with middle cerebral artery stroke treated with thrombolysis, 54 patients had a ≥70mL diffusion volume, of which 12(22%) had a 3 month favorable outcome. Odds-ratio of recanalization for favorable outcome in the ≥70mL group was 4.87 [1.15-20.73], P=0.03 supporting a benefit of recanalization in this subgroup. Diffusion lesions growth is usually located within the ischemic penumbra. We hypothesized that if it occurred beyond its boundaries, it would translate into neurological deterioration. Unexplained early neurological deterioration is frequent (70% of early neurological deteriorations, 7% in our series of 309 thrombolysed patients) and its causes are not well-known (no symptomatic intra cerebral hemorrhage, malignant edema or post-stroke seizure). We confirmed our hypothesis in these patients with diffusion growth beyond the penumbra. This growth occurred in 9 of the 10 studied patients (7-137mL; > 10mL in 8 patients) and it was significantly larger than in the 30 controls with early neurological deterioration (P=0.047). Moreover its topography matched the neurological items that deteriorated. All together, these results contribute to a better understanding of acute ischemic lesions using diffusion-weighted imaging and may offer perspectives to adapt individual patient care.

Diffusion weighted imaging (DWI) and dynamic susceptibility contrast-enhanced (DSC) perfusion-weighted imaging (PWI) are commonly employed in clinical practice and in research to give pathophysiological information for patients with acute ischemic stroke. DWI is thought to roughly reflect the severely damaged infarct core, while DSC-PWI reflects the area of hypoperfusion. The volumetric difference between DWI and DSC-PWI is termed the PWI/DWI-mismatch, and has been suggested as an MRI surrogate of the ischemic penumbra. However, due to the application of a contrast agent, which has potentially severe side-effects (e.g., nephrogenic systemic fibrosis), the DSC-PWI precludes repetitive examinations for monitoring purposes. New approaches are being sought to overcome this shortcoming. BOLD (blood oxygen-level dependent) signal can reflect the metabolism of blood oxygen in the brain and hemodynamics can be assessed with resting-state fMRI. The aim of this thesis was to use resting-state fMRI as a new approach to give similar information as DSC-PWI. This thesis comprises two studies: In the first study (see Chapter 2), two resting-state fMRI methods, local methods which compare low frequency amplitudes between two hemispheres and a k-means clustering approach, were applied to investigate the functional damage of patients with acute ischemic stroke both in the time domain and frequency domain. We found that the lesion areas had lower amplitudes than contralateral homotopic healthy tissues. We also differentiated the lesion areas from healthy tissues using a k-means clustering approach. In the second study (see Chapter 3), time-shift analysis (TSA), which assesses time delays of the spontaneous low frequency fluctuations of the resting-state BOLD signal, was applied to give similar pathophysiological information as DSC-PWI in the acute phase of stroke. We found that areas which showed a pronounced time delay to the respective mean time course were very similar to the hypoperfusion area. In summary, we suggest that the resting-state fMRI methods, especially the time-shift analysis (TSA), may provide comparable information to DSC-PWI and thus serve as a useful diagnostic tool for stroke MRI without the need for the application of a contrast agent.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第19403号 / 医博第4054号 / 新制||医||1012(附属図書館) / 32428 / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 前川 平, 教授 平岡 眞寛, 教授 羽賀 博典 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

L'IRM conventionnelle est considérée comme l'outil non invasif de référence pour le diagnostic, le bilan pré-thérapeutique et le suivi post-thérapeutique des tumeurs cérébrales de l'enfant et de l'adulte. Cependant, en raison de son manque de spécificité aussi bien pour certains diagnostics différentiels que pour l'évaluation de la réponse radiologique, différentes modalités d'IRM sont aujourd'hui ajoutées à l'examen conventionnel dans le but d'affiner l'exploration de ces tumeurs. L'utilisation d'une modalité unique n'est malgré tout pas suffisante pour établir une évaluation diagnostique ou pronostique optimale des tumeurs cérébrales. C'est pourquoi nous nous sommes intéressés à la combinaison de données issues des différentes modalités d'IRM dans le but d'obtenir une meilleure caractérisation, en termes de différenciation et d'évolutivité de ces néoplasmes. Dans ce contexte, nous avons investigué par IRM multimodale 1) les tumeurs épileptogènes de l'enfant, pour lesquelles il est crucial de déterminer le diagnostic préopératoire afin d'aider à la prise en charge chirurgicale ; 2) les tumeurs oligodendrogliales de l'adulte, difficilement distinguables et dont les décisions thérapeutiques reposent sur la détermination du grade et du profil moléculaire ; et enfin 3) la réponse des glioblastomes aux traitements anti-angiogéniques. / Conventional MRI is considered as the gold standard method for the non-invasive diagnosis, pretherapeutic assessment and follow-up of brain tumors in adults and in children. However, due to its lack of specificity for both differential diagnosis and evaluation of the response to treatment, several MR modalities are now added to the conventional exam in order to refine the exploration of these tumors. The use of a single modality is however not yet sufficient to establish an accurate diagnosis or prognosis for brain tumors. For this reason, we were interested in the combination of data from different MR modalities in order to obtain a better characterization of these neoplasms. In this context, we used multimodal MRI to investigate 1) pediatric epileptogenic tumors, for which it is crucial to establish a preoperative diagnosis in order to make appropriate surgical and therapeutic decisions; 2) oligodendroglial tumors in adults, hardly distinguishable and which therapeutic decisions are mainly based on the determination of the tumoral grade and molecular profile; and 3) the response of glioblastoma to anti-angiogenic treatments. Through this work, we have shown that the association of different imaging modalities provides a significant contribution to the differential pre-therapeutic diagnosis of epileptogenic brain lesions in children and also of oligodendroglial tumors in adults as well as a support for the early assessment of tumoral response to anti-angiogenic therapies.