L'effet photoélectrique La relativité restreinte La diffusion Einstein fondateur de l'imagerie médicale? 1905 L'effet photoélectrique La relativité restreinte La diffusion

L'effet photoélectrique Cellule photoélectrique I Nb e- I I Nb e- I

L'effet photoélectrique Explication de Einstein Lumière (ondes électromagnétiques) Photon E=hn Interaction: phénomène élémentaire un photon – un électron lié

L'effet photoélectrique ½ mv2= hn -EK hn K L M L'effet photoélectrique

Importance relative des effets photoélectrique Compton création de paires Pb H2O

La radiographie

L'angiographie

Le scanner-X http://medicalimages.allrefer.com/large/ct-scan-of-thebrain.jpg

Principes du scanner-X Accumuler les acquisitions pour distinguer les faibles différences de densité électronique Changer les angles de vue pour avoir une information sur la profondeur Reconstruire un objet à partir de ses projections 2D.

Reconstruction des images Rétroprojection http://www.fmrib.ox.ac.uk /~peterj/lectures/hbm_1/ img018.GIF Les différentes méthodes Analytique Rétroprojection filtrée 2DFT

http://mitpress.mit.edu/e-journals/Videre/001/articles/Pennec/PennecVidereDemo/CT.slice.large.gif http://www.bocaradiology.com/cases/neuro/perfusion/CT%20perfusion%20axial%20RMCA.jpg http://www.med.harvard.edu/JPNM/TF00_01/Oct3/CT.gif http://www.wfubmc.edu/interneuro/angiosarcct2a.jpg

Scintigraphie http://info.med.yale.edu/intmed/cardio/imaging/techniques/scintigraphy/graphics/scintigraphic_imaging.gif

Principes de la scintigraphie Un isotope de choix 99mTc: période 6h g 140 keV (123I,201Tl...) Des molécules spécifiques d'une fonction MDP métabolisme osseux ECD perfusion cérébrale ... Un espoir: l'immuno-radio-thérapie anticorps spécifique d'une pathologie marqué par un isotope émetteur a.

Scintigraphie

La relativité La relativité restreinte permet d'expliquer la transformation masse - énergie. Certains isotopes se désintègrent en émettant un positron (anti-particule de l'électron) 11C de période 20 min 0.96 MeV 13N de période 10 min 1.19 MeV 15O de période 2 min 1.72 MeV 18F de période 110 min 0.635 MeV

La relativité 511 keV 511 keV e+ e- Les deux photons sont détectés par effet photoélectrique dans une caméra à coïncidence ou à temps de vol. Avantage: ne nécessite plus de collimateur pour définir la direction du rayonnement

Tomographie par Emission de Positrons Théoriquement toute molécule biologique peut être marquée par un 11C Pb de période Pb de radiochimie Un marqueur de choix 18F Deoxy Glucose marqueur du métabolisme énergétique

Tomographie par Emission de Positrons http://www.cineactive.com/portfolio/nobel/images/hi_res/pet_2_Thumbz_hi_res.jpg http://nuclearmedicine.stanford.edu/research/images/PET_CT.jpg

Tomographie par Emission de Positrons http://www.pet.rh.dk/site/eng/Images/hodgkincorfoer.jpg

Tomographie par Emission de Positrons http://www.drugabuse.gov/Newsroom/03/PETSmoking.jpg

La relativité (suite) E= c ( p2 + m02 c2 )1/2 E = m0c2 + p2/(2m0) – p4/(8m03c2) +..... m=m0 (1-v2/c2)-1/2 La relativité restreinte indique que lorsqu'une particule chargée se déplaçant à la vitesse v=p/m0 dans un champ électrostatique E il apparaît dans le référentiel de la particule un champ magnétique: B' = -1/c2 v  E B' = K p  r

La relativité Application en mécanique quantique La relativité restreinte fait apparaître la nécessité d' un moment cinétique intrinsèque de la particule P  R = -S qui vaut -1/2 h pour l'électron, le proton et le neutron. D'où la description d'une particule comme un point matériel défini par ses trois coordonnées spatiales (x,y,z), ses coordonnées de spin en fait S2 et Sz , sa masse au repos (m0) et sa charge .

La résonance magnétique nucléaire Noyaux d'hydrogène des molécules d'eau placés dans un champ magnétique B0 spin H = ½ d'où 2 états énergétiques tels que E- - E+= h0 Onde électromagnétique radiofréquence produite par une bobine alimentée par courant alternatif 0 = B0 E- 0 = B0 E+

ASPECT COLLECTIF B0 B0 RESULTANTE M0 AIMANTATION Nucléaire A l'équilibre M0 somme des moments magnétiques nucléaires est dirigé suivant B0 B0

SIGNAL DE PRECESSION LIBRE M0 90° M0 B1 0 SIGNAL DE PRECESSION LIBRE

Localisation spatiale du signal RMN Imagerie RMN Gradients de champ magnétique dans les 3 directions de l'espace O A B B0 B0 - B0 + e x Gradient de lecture appliqué pendant l'acquisition du signal RMN disperse les fréquences en fonction de x.

Gradient de Phase B0 B0 - e B0 + e y Appliqué perpendiculairement à la direction de lecture et en dehors de la période d'acquisition disperse les phases en fonction de y. Gradient de sélection de tranche Impulsion sélective: pendant un gradient suivant z ni TF ni Dn ni Dn n0 z Dz

Gs Gr Gp Excitation RF Enregistre RF Séquence d'imagerie (spin écho) 180° 90° Excitation RF Gs Gr Gp Enregistre RF Séquence d'imagerie (spin écho)

Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire Le sujet est placé dans un champ magnétique intense La tête du sujet est placée dans une antenne qui émet et reçoit des ondes radio

Méningiome

Angiographie RMN http://www.oitamed.ac.jp/hospital/inform/gazo/mri/mra.jpg http://www.zensharen.or.jp/khbb/mra.jpg

IRM fonctionnelle Définition Principe: image de l'activité cérébrale obtenue par RMN Principe: Augmentation du signal RMN lors de la réaction d'hypervascularisation dans les zones cérébrales actives. (Blood Oxygen Level Dependent = BOLD)

IM avec support tactilo-kinesthèsique AVEUGLES VOYANTS AIRES COMMUNES Frontale et Aires somatosensorielles Aire pré-motrice Pariétale et Aires visuelles associatives

La diffusion D = l2/2t ou x2 = 2 D t Théorie classique Loi de Fick ; solution: c= f(x2/4Dt) Marche au hasard Probabilité de trouver une molécule qui fait des sauts de longueur l en un temps t; solution: P = f(x2t/2tl2) d'où l'équation de Einstein-Smoluchowski D = l2/2t ou x2 = 2 D t

Importance de la diffusion en médecine nucléaire Pour rejoindre sa cible le traceur est d'abord véhiculé par le sang mais du capillaire à la cellule le transfert se fait par diffusion. C 'est phénomène lent: diffusion du glucose dans l'eau D= 510-10 m2s-1 100 nm en 1 ms ; 1 cm en 1 jour

La RMN est une méthode de choix pour mesurer la diffusion Principe Écho élimine les hétérogénéités de l'aimant Les molécules d'eau qui diffusent entre le 90° et l'acquisition ne participent plus au signal RMN Pour augmenter la sensibilité à la diffusion, on applique un gradient intense.

Séquence d'imagerie de diffusion 180° 90° Excitation RF Gs Gr Gp G Gdiffusion   Enregistre RF Séquence d'imagerie de diffusion

IMAGERIE DU TENSEUR DE DIFFUSION   Neurofilament Microtubule Membrane Axonale Myeline Axone // Matière Blanche (MB) Schéma de la structure de la myéline Diffusion de l’eau préférentiellement le long des microtubules

MYELINISATION DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL Embryogénèse Prolifération Migration neuronale Différenciation Axonogénèse Dendritogénèse Synaptogénèse Myelinisation naissance Formation de la gaine de myeline

Les modèles animaux des maladies de la myéline 1- Les mutations spontanées des gènes de l’oligodendrocyte 2- Encéphalomyélite allergique expérimentale (EAE) 3- Les infections virales: (TMEV, MHV) 4- Les substances chimiques 5- Les approches transgéniques: Introduction d’un gène à toxicité inductible HSV1-TTK Expression ciblée du HSV1-TTK dans les oligodendrocytes Objectif Explorer in vivo les modifications structurales de la myéline dans les cerveaux de souris MBP-TTK Etudier les processus de dysmyelinisation et remyelinisation

METHODOLOGIE  2h 30min Amplitude gradient: G= 140mT/mm 90 Amplitude gradient: G= 140mT/mm Durée: =5800 µs =20 ms FOV: 25 mm ln(M)=ln(M0) - 2 G2 2 (- /3)D TR: 1500 ms TE: 35 ms Coupe Sagittale: 1 mm  2h 30min

METHODOLOGIE + 6 directions du gradient de diffusion Acquisition d’images = mesure paramètres tenseur de diffusion 1 référence (IMAGE SANS GRADIENT) + 6 directions du gradient de diffusion Z Y X ZY YX ZX

//= 1 > 2, 3: diffusion axiale (parallèle) Tenseur de diffusion Dxx Dyx Dzx Dxy Dyy Dzy Dxz Dyz Dzz 1 0 0 0 2 0 0 0 3 e1 e2 e3 Diagonalisation D = //= 1 > 2, 3: diffusion axiale (parallèle)  = (2+ 3) /2 :diffusion radiale (transverse sur les fibres) 1~ 2 ~ 3 diffusion isotrope 1>> 2 ~ 3 1 > 2 > 3 diffusion anisotrope

Témoin Traitée Résultats Gauche-Droit (1) Dorso-Ventral(2) 2 x10-3mm2/s Gauche-Droit (1) Témoin Dorso-Ventral(2) Antéro-Posterieur (3) Gauche-Droit (1) Dorso-Ventral (2) Antéro-Posterieurr (3) Traitée

Témoin Traitée <D> <D> FA FA 15 Jours Résultats 1 1 x10-3mm2/s FA FA 1 15 Jours

Tractographie CC de souris témoin CC de souris traitée

Conclusion Einstein peut clairement être considéré comme l'un des fondateurs de la compréhension de l'interaction des ondes électromagnétiques avec la matière donc de l'imagerie médicale par les ondes électromagnétiques.