L Imagerie par Résonance Magnétique comme outil d exploration du cerveau

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1 L Imagerie par Résonance Magnétique comme outil d exploration du cerveau Alexis.Amadon@cea.fr CEA Saclay-DSV-I2BM-Neurospin-LRMN Salon Mesure-Expo Villepinte, 30 septembre

2 Sommaire I. Principes de base de l IRM II. Exemples d applications sur le cerveau III. Avancées récentes 2

3 Rappels de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) - Moment magnétique de spin J : µ = γ J - Rapport gyro-magnétique : γ - Aimantation : M = Σµ Si excitation magnétique externe H - Susceptibilité magnétique χ : M = χ H, B = µ 0 (H + M) - Equation de Bloch : (force de B sur moments magnétiques) r d M r = γ M dt r B Précession de Larmor : ω vitesse angulaire des spins (et de l aimantation) ω = γ B 0 B0 3

4 Fréquence de Larmor Cette fréquence est proportionnelle au champ magnétique Champ agnétique Champ magnétique x 2 Spin d un proton Spin 2 x plus rapide 4

5 La rotation des spins = précession de Larmor Champ magnétique Spin du proton «parallèle» Spin du proton «antiparallèle» 5

6 Pourquoi l hydrogène pour imager la matière vivante? - Résonance Paramagnétique Electron? γ e >> γ p : ω trop énergétique (micro-ondes) - Matière nucléaire biologique : C H O N - Noyaux 12 C, 16 O? spins nuls! - Azote 14 N? γ N << γ p Eau (H 2 O) Corps humain: constitué d eau à 75 % Protons 6

7 Aimantation = somme des spins Aimantation = 0 + = + + = = 0 7

8 Aimantation parallèle au champ magnétique Aimantation induite 8

9 Mesure de l aimantation: 1/ excitation des spins par antenne émettrice 1.a/ quelques spins parallèles deviennent antiparallèles Emetteur RF Spins Onde radio de même fréquence que la fréquence de Larmor (=> résonance magnétique) Aimantation 9

10 Mesure de l aimantation: 1/ excitation des spins par antenne émettrice Emetteur RF 1.b/ les spins se synchronisent pour tourner en phase Spins Onde radio de même fréquence que celle de la rotation des spins (résonance magnétique) Aimantation Aimantation 10

11 Point de vue microscopique de l effet d une impulsion RF(ω 0 ) de α = 90 sur l aimantation Vue macroscopique B 0 11

12 Mesure de l aimantation: 2/ détection pendant la relaxation Onde générée par aimantation tournante est détectée par antenne réceptrice Récepteur RF Aimantation Onde radio à la fréquence de Larmor 12

13 Traitement du signal recueilli Décomposition en fréquences donne spectre par Transformée de Fourier Récepteur RF temps -3-4 T.F. f fréquence

14 Relaxation de l aimantation - T 1 temps de relaxation de la composante longitudinale M z : intéractions spin-réseau : retour des spins à l état d énergie inférieur (antiparallèle parallèle) => repousse de M z - T 2 temps de relaxation de la composante transverse M T : intéractions spin-spin : déphasage des spins => décroissance de M T 14

15 Imagerie => Encodage de l espace dans le signal Le gradient de champ magnétique associe une fréquence à une coordonnée spatiale ω x) = γ ( B + G ) ( x 0 0 x Récepteur RF x 1 x acquisition en présence du gradient Bobines de gradient de champ magnétique T.F f 1 f

16 Image 3D : application de gradients dans les 3 dimensions 16

17 L Imageur par Résonance Magnétique Aimant supraconducteur (de 1.5 à 3T Antenne Radio-Fréquence émettrice/réceptrice (125 MHz à 3T 3 bobines de gradient (de 10 à 50 mt/m) 17

18 Séquence Echo de Gradient : trajectoire dans l espace k γ t k x = fréquence spatiale selon x ( k ( t) = G ( t') dt' ) π r x 2 0 r x F F F + G z S S R G R x P GP y S(t) -k x +k x -k Signal brut (t) 18

19 Séquence Echo de Gradient : trajectoire dans l espace k γ t k x = fréquence spatiale selon x ( k ( t) = G ( t') dt' ) π r x 2 0 r x F F F + G z S S R G R x P GP y S(t) -k x +k x -k Signal brut (t) 19

20 Séquence Echo de Gradient : trajectoire dans l espace k γ t k x = fréquence spatiale selon x ( k ( t) = G ( t') dt' ) π r x 2 0 r x F F F + G z S S R G R x P GP y S(t) -k x +k x -k Signal brut (t) 20

21 Séquence Echo de Gradient : trajectoire dans l espace k γ t k x = fréquence spatiale selon x ( k ( t) = G ( t') dt' ) π r x 2 0 r x F F F + G z S S R G R x P GP y S(t) -k x +k x -k Signal brut (t) 21

22 Séquence Echo de Gradient : trajectoire dans l espace k γ t k x = fréquence spatiale selon x ( k ( t) = G ( t') dt' ) π r x 2 0 r x F F F + G z S S R G R x P GP y S(t) -k x +k x -k Signal brut (t) 22

23 Reconstruction d images par Transfo de Fourier 2D ou 3D toutes colonnes colonnes centrales 1 colonne sur deux colonnes externes 23

24 Paramètres temporels de séquence : TE et TR impulsion d excitation RF échantillonnage TE : temps d écho TR : temps de répétition TE k y G z G x k x G y TR 24

25 Disparités des temps de relaxation selon les tissus Valeurs à B 0 = 1.5 T Matière blanche (fibres d axones) T1 (ms) 600 T2 (ms) 80 Matière grise (neurones)

26 Pondération des images en T 2 : influence du TE Pour α = 90 et TR >>T 1A et T 1B, S(TE) = S 0 exp(-te/t 2 ) Soit 2 compartiments A et B avec M 0A = M 0B, T 2A = 0,2 s et T 2B = 0,1 s A A B TE B S(TE)/S(0) S B S A S A -S B est maximal pour TE = 0,14 s TE (s) 26

27 Pondération des images en T 1 : influence du TR Pour α=90 et TE << T 2A et T 2B : S(TR) = S 0 (1 - exp(-tr/t 1 )) Soit 2 compartiments A et B avec M 0A = M 0B, T 1A = 2s, T 1B = 1s A A B TR B S(TR)/Smax S B S A T 1B = 1s T 1A = 2s S B -S A est maximal pour TR = 1,4 s TR (s) 27

28 Séquence anatomie pondérée en T1 (MP-RAGE) Paramètres d acquisition à 3T: TR = 2340 ms (entre 2 inversions) TI = 900 ms TR FLASH = 7 ms (entre 2 excitations) TE = 3 ms α= 9 (angle de bascule) TA = 7 min. 45 Résolution: ~ 1 mm 28

29 Séquence anatomie pondérée en T2 (Turbo-Spin Echo) 29

30 Imagerie ultra-rapide dite Echo Planar Imagerie la plus rapide car on peut acquérir un plan de l espace k après chaque excitation RF RF +k y GS G GS z GR G GR x G P y ADC -k x +k x -k y Temps d acquisition typique: ~50 ms par coupe => 1 image du cerveau toutes les ~ 2 s. Mais avec une résolution moindre (~ 3 mm) Très exigeant sur le hardware IRM: Grande homogénéite B 0 (~ 0.1 ppm, sinon déphasages accumulés pendant le train d échos causent distorsions et pertes de signal) Commutations de gradients très rapides (> 150 mt/m/ms) 30

31 IRM fonctionelle (IRMf) : principes Soumettre au volontaire dans l imageur des blocs répétés de tâches et de contrôles, avec stimuli auditifs u visuels Simultanément, acquisition d un film du cerveau: images toutes les 1-3 secondes grâce à l Echo Planar Dans chaque voxel du cerveau, chercher des changements d intensité de signal statistiquement ignificatifs corrélés avec les blocs de tâches, selon la réponse hémodydamique dite BOLD (Blood Oxyge evel Dependent) Stimulus TR BOLD response 31

32 Effet BOLD : état au repos O 2 & glucose Au repos oxyhémoglobine (atome de fer écranté par atomes d oxygène) désoxyhémoglobine (fer moins écranté => susceptibilité augmente) 32

33 Effet BOLD : état d activation ATP ADP O 2 & glucose Activation hémodynamique %O 2 MAIS... Débit sanguin - surcompensation signal BOLD 33

34 Exemples de résultats en IRMf Mouvement des doigts Langage Calcul 34

35 IRMf exploitée de plus en plus en clinique Exemple d application à la pathologie : l autisme L IRM fonctionnelle a montré que l aire spécialisée dans la reconnaissance de la voix humaine ne s activait pas normalement chez les autistes. La présence d anomalies morphologiques et fonctionnelles plaide en faveur d une anomalie du développement cérébral 35

36 L IRM de diffusion Voir les connexions cérébrales Le cerveau est formé de milliards de câbles microscopiques qui connectent les différentes aires cérébrales. Ces câbles sont invisibles à l œil nu et sur les IRM anatomiques. Mais il est possible de visualiser ces fibres grâce à l IRM de diffusion 36

37 Séquence d IRM de Diffusion RF G s ADC G r G p G diff G G position dans la direction de G diff S = S S= e 0 S 0 b G 2 bd temps 37

38 Connexions cérébrales (IRM de diffusion) Etude du développement cérébral L IRM de diffusion peut être pratiquée chez le nouveau né. Elle permet d établir des normes de maturation cérébrale, qui seront utiles à la compréhension de pathologies du développement. Visualisation du corps calleux chez un nourrisson de 17 semaines : [Dubois et al.] 38

39 IRM «moléculaire» Agents de contraste: cibler un type de cellules Diagnostic précoce des maladies neurodégénératives Evaluation de nouvelles stratégies thérapeutiques Marqueurs spécifiques des plaques amyloides dans la maladie d Alzheimer (composés amyloidophiles marqués au 19 F) [Higuchi et al. 2005] 39

40 IRM interventionnelle Août 2008: «Des tumeurs au cerveau traitées au laser sans ouvrir la boite cranienne» (Neurosurgery, July 2008, Carpenter A., Itkowitz J. et al.) -> première mondiale à l hôpital Pitié-Salpêtrière Neurochirurgien Alexandre Carpentier: "Ce traitement est le prélude d'un futur développement des techniques d'irm interventionnelle en neurochirurgie" 40

41 Imagerie parallèle (plusieurs antennes réceptrices) - Augmente le signal/bruit - Permet une acquisition plus rapide Meilleures résolutions spatiale et temporelle 41

42 Bénéfices des champs intenses en neuroimagerie - meilleure résolution spectroscopique - augmentation du Signal/Bruit => meilleure résolution spatiale des images - meilleur contraste BOLD Comparaison images à 3T versus 7T 42

43 Gains cliniques des imageurs à 7T (Alzheimer) 1,5 Tesla 7 Tesla Crédit : CEA NeuroSpin 43

44 Gains cliniques des imageurs à 7T (sclérose en plaque) 44

45 Transmission parallèle (plusieurs antennes émettrices indépendantes) Doit permettre de s affranchir des artefacts liés aux inhomogénéités du champ RF (à haut champ) Emission mono-canal sur antenne volumique Emission parallèle sur antenne 8 canaux 45

46 Merci pour votre attention! 46