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Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications L’Imagerie par Résonance Magnétique Fonctionnelle Mémoire de recherche de fin d’études
| Date post: | 03-Apr-2015 |
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Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis HouëlDépartement Signal et Télécommunications
L’Imagerie par Résonance Magnétique Fonctionnelle
Mémoire de recherche de fin d’études
/402
Plan
• De l’IRM à l’IRM fonctionnelle Principe de l’IRM De l’activation cérébrale à l’effet BOLD Traitement des images Comparaison IRMf / TEP
• Applications Sciences cognitives Milieu médical
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/403
La Résonance Magnétique Nucléaire
• Spin de l’Hydrogène orienté aléatoirement
• Alignement selon dans la direction du champs B0
• Rotation à une fréquence proportionnelle à B0
B0
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/404
La Résonance Magnétique Nucléaire
• Champs électrostatique à la fréquence de Larmor → Résonance
• Emission radio :
→ FID (Free Induction Decay )
Relaxation
Précession
xyM
zM0B
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/405
Le signal FID
• Signal pseudo périodique fréquence de Larmor décroissance dépendante
de T1 et T2
• T1 et T2 caractéristiques des tissus (concentration en hydrogène)
→ IRM
t
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/406
Fonctionnement de l’IRM
• Champs magnétique élevé entre 1 et 3T
• Génération des séquences d’acquisition
• Signal FID
• Traitement du signal
• Image
Aimant Permanent
Aimant Permanent
Spires de Gradient
Table d’examen
Spires de Gradient
Spires RF
Spires RF
PC
Tunnel IRM
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/407
L’activité cérébrale
• tâche cognitive (langage, mémoire, perception…)
→ activité des neurones
• propagation de potentiels d’action
• besoins énergétiques : ATP
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.expasy.org
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/408
Régénération de l’ATP
Métabolisme du glucose
GLUCOSE PYRUVATE
Glycolyse anaérobie
(sans oxygène)
Anaérobiose (absence
d’oxygène)
+2 ATP
ACIDE LACTIQUE
Aérobiose (présence d’oxygène)
+36 ATP
Cycle de Krebs :
CO2, H2O
=> Efficacité optimale en présence de glucose ET d’oxygène
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/409
La réponse hémodynamique
Activité neuronesConsommation
oxygène
Libération de dioxyde de carbone
(CO2)
Le CO2 est un vasodilatateurDilatation des vaisseaux
Réponse hémodynamique : afflux important de sang dans la zone
activée
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/4010
Propriétés magnétiques du sang (1/4)
• Transport du glucose et de l’oxygène effectué par le sang
• Composition du sang :
plasma (mélange d’eau et de protéines)
globules rouges (entre 40 et 50%)
• Les globules rouges contiennent l’hémoglobine
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/4011
Propriétés magnétiques du sang (2/4)
• L’hémoglobine transporte l’oxygène aux tissus
• Hémoglobine sous deux formes :
Oxyhémoglobine HbO2 (contient de l’oxygène)
→ sang oxygéné
Désoxyhémoglobine dHb (ne contient plus d’oxygène)
→ sang non oxygéné
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/4012
Sang oxygéné et sang non oxygéné : pas les mêmes propriétés magnétiques
Hémoglobine contient 4 hèmes
E
dHb HbO2(Absence
d’oxygène)(Présence d’oxygène)
4 électrons célibataires
Désoxyhémoglobine paramagnétique
Propriétés magnétiques du sang (3/4)
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/4013
Base de l’effet BOLD (Blood Oxygen Level Dependant): Différence de
susceptibilité magnétique entre les milieux intra et extra vasculaires lorsque
le sang est non oxygéné
Propriétés magnétiques du sang (4/4)
De l’IRM à l’IRMf Applications
Susceptibilité magnétique : capacité à réagir à l’action d’un champ magnétique
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/4014
Le signal BOLD (1/3)
Différence de susceptibilité magnétiqueDésoxyhémoglobine
Inhomogénéités locales de champ magnétique (champ magnétique perturbé)
t
T2*
Courant induit FID
(Free Inductance
Decay)
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/4015
HbO2
dHb
Augmentation du flux sanguin Diminution de la concentration en désoxyhémoglobine (dHb) Augmentation du signal T2*
REPOS ACTIVATION
• Sang oxygéné => T2* élevé => image plus intense• Sang non oxygéné =>T2* faible => image moins intense
Le signal BOLD (2/3)
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4016
• Délai de 3 à 6 secondes avant la réponse hémodynamique• Allure du signal BOLD :
STIMULUS
t (sec)
Signal BOLD
~ 5 sec
Le signal BOLD (3/3)
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4017
Récapitulatif
Activité cérébraleLibération CO2
Vasodilatation
Consommation
Glucose, O2
Augmentation du débit sanguin riche
en O2
Baisse de la concentration du sang désoxygéné
Augmentation du signal T2*
/4018
Examen IRMf
De l’IRM à l’IRMf Applications
http://psychologie.u-strasbg.fr/documentation/CBonnet/TD1.pdf
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/4019
Difficultés
• Intra-patient :
• Mouvements de tête
• Cerveau multitâche
• Bruit
• Inter-patients : les cerveaux n’ont pas la même forme!
Solutions : Réalignement, Lissage (Filtrage Gaussien), Modèle Linéaire Généralisé (GLM)
Solution : Normalisation Spatiale
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4020
Le réalignement
(CISG Kings College, Londres,http://www.image-registration.com/)
Exemple : Recalage Rigide
• Translations et Rotations
• Calcul des barycentres
• Translation selon le vecteur défini par les 2 barycentres
• Rotation minimisant la somme des carrés des distances entre points correspondants
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4021
Le filtrage gaussien
Lissage par noyau de Gauss :
→ Moyenne pondérée de chaque voxel en relation avec les voxels voisins
→ Amélioration du rapport Signal à Bruit
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http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/
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/4022
Normalisation spatiale
Atlas de Talairach-Tournoux :
Marqueurs permettant la transformation
Atlas (différentes
configurations)
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.neurorgs.com
www.neurorgs.com Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël
Département Signal et Télécommunications
/4023
Exemple de transformation dans l’espace de Talairach
Avant normalisation Après normalisation
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.neurorgs.com
/4024
TEP : principe
Photon gamma
Photon gamma
positron
électron
• Injection d’un traceur radioactif (Oxygène 15)• Fixation du traceur au niveau des tissus consommant beaucoup d’oxygène => régions cérébrales actives du cerveau
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4025
Comparaison TEP / IRMf (1/2)
TEP IRMf
Type de technique Invasive Non invasive
Mesure Rayonnement des photons gamma
Champ magnétique et ondes radio
Résolution spatiale 4 à 6 mm 1 à 2 mm
Résolution temporelle 2 min 1,5 à 6 s
Durée d’examen 180 min 20 à 60 min
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4026
TEP IRMf
Instrumentation PET scan + cyclotron IRM avec séquence d’acquisition ultra rapide
EPI
Répétitivité Présente un risque en raison des doses de
radioactivité injectées
Pas de problème connu
Applications + Utilisation de traceurs radioactifs : applications
plus spécifiques
-Problèmes pour les régions proches de l’air
(sinus)- Très sensible aux
mouvements
Coût Très élevé Plus abordable
→ Complémentarité des deux techniques
Comparaison TEP / IRMf (2/2)
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4027
Les applications
• Sciences cognitives
• Médecine
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.dcsc.tudelf.nl
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/4028
Applications cognitives (1/2)
• Sciences cognitives : visent à relier les fonctions cognitives supérieures avec leur composante biologique, les neurones.
• Exemples d’application: Localisation des aires du langage Conscience Mémoire Imagerie mentale Localisation du cortex moteur Cortex visuel et auditif Réponse émotionnelle aux odeurs Émotions qui interviennent dans les jugements moraux Détecteurs de mensonges Etc.
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4029
Applications cognitives (2/2)
Centre du langage articulé
Centre de la compréhension des mots parlés
Aire auditive
Aire motrice
Aire sensitive
Aire visuelle
Centre de la compréhension des mots écrits
Zone olfactive
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.medecine-et-santé.com
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/4030
Calcul mental
• Zones actives lors d’un calcul complexe
Vert: zones actives chez tous les individus Rouge: zones actives uniquement chez un
prodige
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.cea.fr
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/4031
Images subliminales
• Image subliminale: ne peut pas être perçue de façon consciente
• Aires cérébrales sollicitées: celles au processus de lecture mais avec une intensité réduite
• Activation des zones cérébrales permet au sujet de reconnaître ultérieurement le mot présenté de façon plus rapide
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.dsv.cea.fr
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/4032
Applications en médecine
• IRMf: non invasif Développement normal et pathologique chez les enfants Suivi de l’évolution des maladies
• Principales applications cliniques: Cartographie fonctionnelle pré-opératoire du cerveau Suivi de la récupération cérébrale après un AVC Étude de l’efficacité de médicaments neuro ou psychotropes Localiser les foyers propres à l’épilepsie Évaluer les déficits cognitifs dans les pathologies liées au
vieillissement Etc.
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4033
Cartographie fonctionnelle pré-opératoire
• Localisation des aires fonctionnelles majeures Motricité Aires du langage Vision Mémoire
→ épargner ces zones lors d’une intervention chirurgicale
• IRMf: non invasif→ remplace avantageusement les techniques
invasives actuellement utilisées
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.musc.edu
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/4034
Détection précoce de l’Alzheimer (1/5)
• Maladie neurodégénérative qui détruit les cellules cérébrales de façon lente et insidieuse
• Symptômes: Perte de la mémoire à court terme Difficulté d’expression Troubles concernant les mouvements et les
déplacements Difficulté de reconnaissance d’autrui Etc.
• En France, plus de 3% des personnes de plus de 65 ans sont touchées par l’Alzheimer
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4035
Détection précoce de l’Alzheimer (2/5)
• Avant diagnostique Déclin de la mémoire dû à une lente progression
pathologique Extension aux dommages neuropathologiques avant
le diagnostique clinique→ Importance de la détection précoce de
l’Alzheimer pour le traitement de la maladie dès ses premiers stades
• Chez l’homme: impossible de détecter l’origine de la maladie in vivo
→ IRMf
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4036
Détection précoce de l’Alzheimer (3/5)
• Différence d’activation cérébrale entre les sujets atteints d’Alzheimer et les sujets sains pour un exercice de mémoire:
De l’IRM à l’IRMf Applications
www.medscape.com
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/4037
Détection précoce de l’Alzheimer (4/5)
• Expérience IRMf détection précoce: 30 adultes sains âgés de 47 à 82 ans Évaluation comportementale avant l’IRMf: sujets
présentent une capacité de mémoire dans la norme selon leur âge
• A l’intérieur du scanner: test sur la mémoire déclarative
• Résultats: certains sujets présentent une activation neuronale beaucoup plus importante que les autres
→ prédiction d’un déclin de la mémoire?
De l’IRM à l’IRMf Applications
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Détection précoce de l’Alzheimer (5/5)
• Deux ans plus tard: réévaluation de la mémoire des sujets déjà examinés
→ changements de l’activité fonctionnelle neuroanatomique avant même que le déclin de la mémoire ne se manifeste
• Bilan : IRMf semble pouvoir différencier les personnes qui vont ou ne vont pas développer la maladie d’Alzheimer
• Résultats à approfondir
De l’IRM à l’IRMf Applications
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/4039
Conclusion
• Technique prometteuse
• Meilleure connaissance : Des fonctions cognitives Des maladies neuropathologiques
• Problème : on ne connait pas encore les effets secondaires à moyen terme de l’exposition au champ magnétique
Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis HouëlDépartement Signal et Télécommunications
/4040
?Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël
Département Signal et Télécommunications
