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LImagerie par Résonance Magnétique Fonctionnelle Mémoire de recherche de fin détudes Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications.

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1 LImagerie par Résonance Magnétique Fonctionnelle Mémoire de recherche de fin détudes Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

2 /402 Plan De lIRM à lIRM fonctionnelle Principe de lIRM De lactivation cérébrale à leffet BOLD Traitement des images Comparaison IRMf / TEP Applications Sciences cognitives Milieu médical Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

3 /403 La Résonance Magnétique Nucléaire Spin de lHydrogène orienté aléatoirement Alignement selon dans la direction du champs B 0 Rotation à une fréquence proportionnelle à B 0 B0B0 De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

4 /404 La Résonance Magnétique Nucléaire Champs électrostatique à la fréquence de Larmor Résonance Emission radio : FID (Free Induction Decay ) Relaxation Précession De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

5 /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 lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

6 /406 Fonctionnement de lIRM Champs magnétique élevé entre 1 et 3T Génération des séquences dacquisition Signal FID Traitement du signal Image Aimant Permanent Spires de Gradient Table dexamen Spires de Gradient Spires RF PC Tunnel IRM De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

7 /407 Lactivité cérébrale tâche cognitive (langage, mémoire, perception…) activité des neurones propagation de potentiels daction besoins énergétiques : ATP De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

8 /408 Régénération de lATP Métabolisme du glucose GLUCOSEPYRUVATE Glycolyse anaérobie (sans oxygène) Anaérobiose (absence doxygène) +2 ATP ACIDE LACTIQUE Aérobiose (présence doxygène) +36 ATP Cycle de Krebs : CO 2, H 2 O => Efficacité optimale en présence de glucose ET doxygène De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

9 /409 La réponse hémodynamique Activité neurones Consommation oxygène Libération de dioxyde de carbone (CO 2 ) Le CO 2 est un vasodilatateur Dilatation des vaisseaux Réponse hémodynamique : afflux important de sang dans la zone activée De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

10 /4010 Propriétés magnétiques du sang (1/4) Transport du glucose et de loxygène effectué par le sang Composition du sang : plasma (mélange deau et de protéines) globules rouges (entre 40 et 50%) Les globules rouges contiennent lhémoglobine De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

11 /4011 Propriétés magnétiques du sang (2/4) Lhémoglobine transporte loxygène aux tissus Hémoglobine sous deux formes : Oxyhémoglobine HbO 2 (contient de loxygène) sang oxygéné Désoxyhémoglobine dHb (ne contient plus doxygène) sang non oxygéné De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

12 /4012 Sang oxygéné et sang non oxygéné : pas les mêmes propriétés magnétiques Hémoglobine contient 4 hèmes E dHb HbO 2 (Absence doxygène) (Présence doxygène) 4 électrons célibataires Désoxyhémoglobine paramagnétique Propriétés magnétiques du sang (3/4) De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

13 /4013 Base de leffet 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 lIRM à lIRMf Applications Susceptibilité magnétique : capacité à réagir à laction dun champ magnétique Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

14 /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) De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

15 /4015 HbO 2 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 lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

16 /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 lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

17 /4017 Récapitulatif Activité cérébrale Libération CO 2 Vasodilatation Consommation Glucose, O 2 Augmentation du débit sanguin riche en O 2 Baisse de la concentration du sang désoxygéné Augmentation du signal T 2 *

18 /4018 Examen IRMf De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

19 /4019 Difficultés Intra-patient : Mouvements de tête Cerveau multitâche Bruit Inter-patients : les cerveaux nont pas la même forme! Solutions : Réalignement, Lissage (Filtrage Gaussien), Modèle Linéaire Généralisé (GLM) Solution : Normalisation Spatiale De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

20 /4020 Le réalignement (CISG Kings College, Londres, 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 lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

21 /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 De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

22 /4022 Normalisation spatiale Atlas de Talairach-Tournoux : Marqueurs permettant la transformation Atlas (différentes configurations) De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

23 /4023 Exemple de transformation dans lespace de Talairach Avant normalisation Après normalisation De lIRM à lIRMf Applications

24 /4024 TEP : principe Photon gamma positron électron Injection dun traceur radioactif (Oxygène 15) Fixation du traceur au niveau des tissus consommant beaucoup doxygène => régions cérébrales actives du cerveau De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

25 /4025 Comparaison TEP / IRMf (1/2) TEPIRMf Type de techniqueInvasiveNon invasive MesureRayonnement des photons gamma Champ magnétique et ondes radio Résolution spatiale4 à 6 mm1 à 2 mm Résolution temporelle2 min1,5 à 6 s Durée dexamen180 min20 à 60 min De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

26 /4026 TEPIRMf InstrumentationPET scan + cyclotronIRM avec séquence dacquisition ultra rapide EPI RépétitivitéPrésente 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 lair (sinus) - Très sensible aux mouvements CoûtTrès élevéPlus abordable Complémentarité des deux techniques Comparaison TEP / IRMf (2/2) De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

27 /4027 Les applications Sciences cognitives Médecine De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

28 /4028 Applications cognitives (1/2) Sciences cognitives : visent à relier les fonctions cognitives supérieures avec leur composante biologique, les neurones. Exemples dapplication: 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 lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

29 /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 lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

30 /4030 Calcul mental Zones actives lors dun calcul complexe Vert: zones actives chez tous les individus Rouge: zones actives uniquement chez un prodige De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

31 /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 lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

32 /4032 Applications en médecine IRMf: non invasif Développement normal et pathologique chez les enfants Suivi de lévolution des maladies Principales applications cliniques: Cartographie fonctionnelle pré-opératoire du cerveau Suivi de la récupération cérébrale après un AVC Étude de lefficacité de médicaments neuro ou psychotropes Localiser les foyers propres à lépilepsie Évaluer les déficits cognitifs dans les pathologies liées au vieillissement Etc. De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

33 /4033 Cartographie fonctionnelle pré-opératoire Localisation des aires fonctionnelles majeures Motricité Aires du langage Vision Mémoire épargner ces zones lors dune intervention chirurgicale IRMf: non invasif remplace avantageusement les techniques invasives actuellement utilisées De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

34 /4034 Détection précoce de lAlzheimer (1/5) Maladie neurodégénérative qui détruit les cellules cérébrales de façon lente et insidieuse Symptômes: Perte de la mémoire à court terme Difficulté dexpression Troubles concernant les mouvements et les déplacements Difficulté de reconnaissance dautrui Etc. En France, plus de 3% des personnes de plus de 65 ans sont touchées par lAlzheimer De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

35 /4035 Détection précoce de lAlzheimer (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 lAlzheimer pour le traitement de la maladie dès ses premiers stades Chez lhomme: impossible de détecter lorigine de la maladie in vivo IRMf De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

36 /4036 Détection précoce de lAlzheimer (3/5) Différence dactivation cérébrale entre les sujets atteints dAlzheimer et les sujets sains pour un exercice de mémoire: De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

37 /4037 Détection précoce de lAlzheimer (4/5) Expérience IRMf détection précoce: 30 adultes sains âgés de 47 à 82 ans Évaluation comportementale avant lIRMf: sujets présentent une capacité de mémoire dans la norme selon leur âge A lintérieur du scanner: test sur la mémoire déclarative Résultats: certains sujets présentent une activation neuronale beaucoup plus importante que les autres prédiction dun déclin de la mémoire? De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

38 /4038 Détection précoce de lAlzheimer (5/5) Deux ans plus tard: réévaluation de la mémoire des sujets déjà examinés changements de lactivité 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 dAlzheimer Résultats à approfondir De lIRM à lIRMf Applications Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

39 /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 lexposition au champ magnétique Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

40 /4040 ? Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications


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