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Plan De l’IRM à l’IRM fonctionnelle Applications Principe de l’IRM De l’activation cérébrale à l’effet BOLD Traitement des images Comparaison IRMf / TEP Applications Sciences cognitives Milieu médical Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

La Résonance Magnétique Nucléaire De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

La Résonance Magnétique Nucléaire De l’IRM à l’IRMf Applications La Résonance Magnétique Nucléaire Champs électrostatique à la fréquence de Larmor → Résonance Emission radio : → FID (Free Induction Decay ) Relaxation Précession Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

→ IRM Le signal FID Signal pseudo périodique De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Fonctionnement de l’IRM De l’IRM à l’IRMf Applications Fonctionnement de l’IRM Tunnel IRM Champs magnétique élevé entre 1 et 3T Génération des séquences d’acquisition Signal FID Traitement du signal Image Aimant Permanent Spires de Gradient Spires RF Table d’examen Spires RF Spires de Gradient Aimant Permanent PC Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

L’activité cérébrale tâche cognitive (langage, mémoire, perception…) De l’IRM à l’IRMf Applications L’activité cérébrale tâche cognitive (langage, mémoire, perception…) → activité des neurones propagation de potentiels d’action besoins énergétiques : ATP www.expasy.org Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Régénération de l’ATP Métabolisme du glucose De l’IRM à l’IRMf Applications Régénération de l’ATP Métabolisme du glucose +2 ATP GLUCOSE PYRUVATE Aérobiose (présence d’oxygène) Anaérobiose (absence d’oxygène) +36 ATP Glycolyse anaérobie (sans oxygène) Cycle de Krebs : CO2, H2O ACIDE LACTIQUE => Efficacité optimale en présence de glucose ET d’oxygène Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

La réponse hémodynamique De l’IRM à l’IRMf Applications La réponse hémodynamique Activité neurones Consommation oxygène Libération de dioxyde de carbone (CO2) Le CO2 est un vasodilatateur Dilatation des vaisseaux Réponse hémodynamique : afflux important de sang dans la zone activée Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Propriétés magnétiques du sang (1/4) De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Propriétés magnétiques du sang (2/4) De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Propriétés magnétiques du sang (3/4) De l’IRM à l’IRMf Applications Propriétés magnétiques du sang (3/4) Sang oxygéné et sang non oxygéné : pas les mêmes propriétés magnétiques Hémoglobine contient 4 hèmes dHb HbO2 (Absence d’oxygène) (Présence d’oxygène) E 4 électrons célibataires Désoxyhémoglobine paramagnétique Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Propriétés magnétiques du sang (4/4) De l’IRM à l’IRMf Applications Propriétés magnétiques du sang (4/4) Susceptibilité magnétique : capacité à réagir à l’action d’un champ magnétique 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Le signal BOLD (1/3) De l’IRM à l’IRMf Applications Désoxyhémoglobine Différence de susceptibilité magnétique Inhomogénéités locales de champ magnétique (champ magnétique perturbé) Courant induit FID (Free Inductance Decay) T2* t Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

De l’IRM à l’IRMf Applications Le signal BOLD (2/3) Sang oxygéné => T2* élevé => image plus intense Sang non oxygéné =>T2* faible => image moins intense REPOS ACTIVATION HbO2 dHb Augmentation du flux sanguin Diminution de la concentration en désoxyhémoglobine (dHb) Augmentation du signal T2*  Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

De l’IRM à l’IRMf Applications Le signal BOLD (3/3) Délai de 3 à 6 secondes avant la réponse hémodynamique Allure du signal BOLD : STIMULUS t (sec) Signal BOLD ~ 5 sec Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Augmentation du signal T2* Récapitulatif Consommation Glucose, O2 Libération CO2 Vasodilatation Activité cérébrale Augmentation du débit sanguin riche en O2 Baisse de la concentration du sang désoxygéné Augmentation du signal T2*

Examen IRMf De l’IRM à l’IRMf Applications http://psychologie.u-strasbg.fr/documentation/CBonnet/TD1.pdf Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Difficultés Intra-patient : Mouvements de tête Cerveau multitâche De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Le réalignement Exemple : Recalage Rigide Translations et Rotations De l’IRM à l’IRMf Applications Le réalignement 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 (CISG Kings College, Londres, http://www.image-registration.com/) Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Le filtrage gaussien Lissage par noyau de Gauss : De l’IRM à l’IRMf Applications Le filtrage gaussien Lissage par noyau de Gauss : http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/ → Moyenne pondérée de chaque voxel en relation avec les voxels voisins → Amélioration du rapport Signal à Bruit Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Normalisation spatiale De l’IRM à l’IRMf Applications Normalisation spatiale Atlas de Talairach-Tournoux : Marqueurs permettant la transformation www.neurorgs.com Atlas (différentes configurations) www.neurorgs.com Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Exemple de transformation dans l’espace de Talairach De l’IRM à l’IRMf Applications Avant normalisation Après normalisation www.neurorgs.com

TEP : principe Injection d’un traceur radioactif (Oxygène 15) De l’IRM à l’IRMf Applications TEP : principe Injection d’un traceur radioactif (Oxygène 15) Fixation du traceur au niveau des tissus consommant beaucoup d’oxygène => régions cérébrales actives du cerveau Photon gamma positron électron Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Comparaison TEP / IRMf (1/2) De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Comparaison TEP / IRMf (2/2) De l’IRM à l’IRMf Applications Comparaison TEP / IRMf (2/2) 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Les applications Sciences cognitives Médecine De l’IRM à l’IRMf www.dcsc.tudelf.nl Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Applications cognitives (1/2) De l’IRM à l’IRMf Applications 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. Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Applications cognitives (2/2) De l’IRM à l’IRMf Applications Applications cognitives (2/2) Centre du langage articulé Centre de la compréhension des mots écrits Aire sensitive Aire motrice Centre de la compréhension des mots parlés Aire auditive Aire visuelle Zone olfactive www.medecine-et-santé.com Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Calcul mental Zones actives lors d’un calcul complexe De l’IRM à l’IRMf Applications Calcul mental Zones actives lors d’un calcul complexe Vert: zones actives chez tous les individus Rouge: zones actives uniquement chez un prodige www.cea.fr Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

De l’IRM à l’IRMf Applications 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 www.dsv.cea.fr Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Applications en médecine De l’IRM à l’IRMf Applications 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. Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Cartographie fonctionnelle pré-opératoire De l’IRM à l’IRMf Applications 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 www.musc.edu Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Détection précoce de l’Alzheimer (1/5) De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Détection précoce de l’Alzheimer (2/5) De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Détection précoce de l’Alzheimer (3/5) De l’IRM à l’IRMf Applications 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: www.medscape.com Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Détection précoce de l’Alzheimer (4/5) De l’IRM à l’IRMf Applications 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? Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

Détection précoce de l’Alzheimer (5/5) De l’IRM à l’IRMf Applications 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 Lina Nasr, Sabine Donzé, Louis Houël Département Signal et Télécommunications

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 Houël Département Signal et Télécommunications

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