Le rôle des gradients dans l'acquisition de l'image

Qu’est-ce qu’un gradient?

Pour réaliser une image, il est nécessaire de recueillir un signal et de situer ce signal dans l’espace. Pour y arriver, on applique un champ b dont l'intensité varie dans l’espace selon les trois axes de coordonnées x, y et z. C’est ce que l’on appelle le gradient de champ. Plus simplement, un gradient est la variation d’une donnée physique dans l’espace. Ainsi, lorsqu’on s’éloigne de la berge vers le centre d’un lac, il est possible d’affirmer qu’il existe un gradient de profondeur puisque plus on s’éloigne du bord de l’eau, plus la profondeur de l’eau est importante. La fréquence de résonance dépend directement de l’intensité du champ en une position donnée et en recueillant le signal émis en chaque position, il est possible de construire une image. Trois types de gradients sont combinés pour permettre l’acquisition de l’image : le gradient de sélection de coupe, le gradient de codage de phase et le gradient de codage de fréquence.

Comme l'indique la figure ci-haut, la différence d'intensité de champ entre deux points est proportionnelle à la distance dans la direction du gradient. De plus, la fréquence de rotation (ou précession) des protons est directement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique.

La sélection de la coupe

Le gradient de sélection de coupe sélectionne la tranche qui sera explorée. Il est appliqué en même temps qu'une onde radiofréquence. Seuls les protons en résonnance font partie du plan de la coupe, qui est perpendiculaire au gradient de champ appliqué. Pour qu’il y ait résonnance, il faut que la fréquence de rotation des protons soit la même que celle de l’impulsion radiofréquence émise. Cette fréquence est la fréquence de Larmor. La vitesse de rotation des protons dépend directement de l’intensité du champ magnétique. Les protons ayant une vitesse de rotation différente de la fréquence de résonance de Larmor ne font pas partie du plan de coupe.

Il serait impossible d’obtenir un plan de coupe sans l’application d’un gradient de champ, puisqu’en son absence, tous les protons compris à l’intérieur de l’antenne radiofréquence entreraient en résonnance lors de l’impulsion de l’onde radiofréquence. Effectivement, dans un champ magnétique uniforme, tous les spins ont la même fréquence de précession autour du champ.

Gradient de codage de phase (Gφ) et gradient de codage de fréquence (Gω)

Le gradient de codage de phase est appliqué dans une direction du plan, par exemple, la verticale. Lorsqu’il est appliqué, les fréquences de rotation des protons sont modifiées, ce qui crée des lignes de protons ayant la même vitesse de précession. Il en résulte un déphasage qui persiste même lorsque le gradient de codage de phase est interrompu. Par conséquent, lorsque le gradient de codage de phase est arrêté, les protons regagnent la même vitesse de rotation, mais le déphasage demeure. Ce déphasage est enregistré sous forme d’un signal recueilli par l’antenne.

Pendant le recueil du signal le gradient de codage de phase est appliqué dans l’autre direction du plan, dans ce cas, selon l’axe horizontal. Lorsqu’il est appliqué, les fréquences de précession des protons sont modifiées à l’horizontal, ce qui crée des colonnes de protons qui ont la même vitesse de précession. Cette fréquence est elle aussi enregistrée par l’antenne.

Le codage spatial de l’image

En bref, la coupe est sélectionnée en fonction de l’intensité et de l’orientation du gradient, qui déterminent son orientation et son épaisseur. Cet espace est analysé voxel par voxel, le voxel étant une unité de volume. Dans le plan, chaque pixel (unité de surface) est localisé selon la ligne et la colonne à laquelle il appartient. Le codage spatial est obtenu par la combinaison du codage de phase et du codage de fréquence dans une matrice. En appliquant un gradient de codage de phase suivi d’un gradient de codage de fréquence, il est possible d’obtenir l’information d’une ligne de la matrice. De nouveaux gradients doivent être appliqués pour que l’information concernant chacune des lignes soit enregistrée, d’où la durée de l’examen IRM. Ces informations sont transformées en séries de Fourier par un ordinateur puissant permettant l’obtention d’une image en deux dimensions. Il est ensuite possible de superposer les coupes pour obtenir une image en trois dimensions.

Sources:

http://www.phys.umontreal.ca/cours/H2011/PHY2300/coursirm_2009_1.pdf

http://www.sante.univ-nantes.fr/med/ticem/ressources/203.pdf

VADROT, D. et coll,  "Localisation du signal émis: les gradients de champ magnétique", Imagerie par résonance magnétique, Notions théoriques applications pratiques abdomino-pelviennes, Paris, Éditeur Maloine, p. 61-69.

 

L'IRM pour cesser de fumer

Le mois dernier, nous avons appris qu’il est possible, grâce à l’IRM, de détecter l’activité cérébrale. La localisation des zones actives du cerveau pourrait éventuellement être utile à la détection du mensonge. Dans un même ordre d’idées, une étude réalisée aux États-Unis et publiée dans la revue scientifique Health Psychology en février dernier a démontré que l’IRM permettrait dorénavant d’identifier les individus les mieux disposés à cesser de fumer.

La recherche a été effectuée auprès de 28 fumeurs suivant un programme d’abandon de la cigarette. Leur cerveau a été passé sous IRM lorsqu’ils visionnaient des publicités encourageant au sevrage du tabac. Les personnes les plus motivées à se défaire de leur dépendance présentaient effectivement une activité accrue du cortex préfrontal.

Sachant que la réussite du sevrage de la cigarette dépend à 50% de la volonté de l’individu, ce nouvel examen pourrait s’avérer une excellente source de motivation pour les personnes touchées.

Pour plus de détails, voir http://www.manip-info.com/actualites/etudes-scientifiques/article/l-irm-predit-la-determination-des

Phénomène de relaxation T1 et T2

La relaxation commence par l’arrêt de l’impulsion RF et par le retour des protons (Mo) à leur état d’équilibre. Le T1 est le retour de l’aimantation longitudinale (Mz). Le T2 est la disparition de l’aimantation transversale (Mxy).

L’aimantation longitudinale à l’équilibre : Mz=Mo. En envoyant une onde RF perpendiculaire à Mz, les protons de E1(haute énergie) vont se déplacer vers E2(basse énergie). L’aimantation longitudinale : Mz=0. Ensuite, en arrêtant l’onde RF, les protons vont retourner à leur position d’équilibre (Mz=Mo). De plus, grâce à une antenne réceptrice, il est possible de capter les variations d’énergies causées par le déplacement des protons (Mz=Mo, Mz=0), à l’aide de la technique saturation-récupération. Par ailleurs, selon le temps (T1) que prennent les protons à retrouver leur position d’équilibre, on peut différencier chaque tissu du corps (image plus claire).

Phénomène de relaxation T1 (aimantation longitudinale)

L’aimantation transversale à l’équilibre : Mxy=0. L’onde RF envoyée, les protons sont déphasés et ceux-ci s’orientent selon Mxy (Mxy=Mo). L’onde RF arrêtée, les protons retrouvent leur état d’équilibre (Mxy=0). Grâce à une bobine réceptrice, on peut capter le courant électrique induit dans cette même bobine (causé par le déphasage et le rephasage des protons).

 

Phénomène de relaxation T2  et disparition de l'aimantation Mxy (aimantation transversale).



Louis Fortin





IRM, HIFU et Liposomes : Une nouvelle méthode de traitement chimiothérapeutique

  

   

IRM + HIFU+TSL

Des scientifiques de l'Université technique d'Eindhoven (Pays-Bas) en collaboration avec des chercheurs de Philips Research ont obtenu des résultats très encourageants lors des tests d'une méthode innovatrice de traitement par chimiothérapie qui combine trois technologies de pointe: l'IRM, le HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) et les liposomes (vésicules artificielles). Le but de cette expérience était d'utiliser les trois techniques médicales pour acheminer des molécules de Doxorubicine directement sur le site d'une tumeur. 

Lors de la chimiothérapie ordinaire, la circulation sanguine peut jouer un  rôle décisif dans la finalité du traitement. Si la tumeur ciblée présente des anomalies affectant l'irrigation sanguine ou si elle est tout simplement peu vascularisée, les quantités de médicament sur le site seront considérablement réduites. L'augmentation de la dose initiale du médicament ne représente en aucune manière une solution à ce problème car souvent les substances utilisées dans ce traitement affectent les tissus sains aussi. 

C'est en ce moment qu'entre en scène cette nouvelle méthode de ciblage de la tumeur. Le principe fonctionnel est le suivant:

• Un balayage constant par IRM est effectué pour surveiller la zone affectée;
• Les ultrasons de haute précision servent à 'chauffer' seulement la zone ciblée à l'aide de l'IRM;
• Le patient se voit administré des doses de liposomes contenant le médicament ainsi que des agents de contraste magnétiques; ces liposomes (de type TSL) réagissent spécifiquement à la chaleur, ne libérant leur contenu que dans les tissus 'bouillants';
• L'évolution du traitement est ensuite supervisée par IRM en se servant des agents de contraste préalablement administrés.

   L' évolution d'un tel traitement est magnifiquement présentée dans cette vidéo: Image Induced Drug Delivery

L'article complet, en anglais, est disponible ici.

   

   

La nano-IRM

Vision d’une avancée fort prometteuse

En 2010, une équipe de recherche du MIT a mis au point une machine d’imagerie par résonance magnétique offrant une résolution 100 millions de fois supérieure à celle de l’IRM traditionnelle en plus de permettre l’obtention d’images de virus en trois dimensions. Voyons voir qu’est-ce que la nano-IRM.

La nano-IRM

La nano-IRM, sur laquelle des chercheurs travaillent depuis le début des années 1990, met en commun les principes de l’IRM et de la microscopie à balayage électronique. Comme c’est le cas avec l’IRM traditionnelle, les spins des atomes d’hydrogène, qui sont soumis à un gradient de champ, sont basculés par un champ magnétique radiofréquence qui les fait résonner. Ensuite,  les principes de la microscopie par balayage électronique entrent en jeu. L’énergie dégagée par les spins en résonnance fait vibrer un levier mécanique dont les oscillations sont détectées par un laser qui, en balayant la surface de la particule magnétique, peut produire une image 3-D en fonction de la densité des atomes d’hydrogène présents dans le virus.

L’obtention de l’image des virus (voir la vidéo)

Comme le montre la vidéo, l’échantillon, dans le cas présent, un virus, est attaché au bout d’un minuscule levier en silicone. Lorsqu’un nanoaimant est approché de l’échantillon, les protons du  noyau des atomes d’hydrogène sont  attirés, ce qui génère une force très faible sur le levier. Les spins basculent, puis retrouvent leur position initiale. La faible quantité d’énergie qu’ils dégagent fait osciller le levier. Le laser mesure ensuite le déplacement, créant une série d’images 2-D de l’échantillon, qui, combinées, permettent l’obtention d’une image en 3-D.

Pour plus d'informations, voir http://web.mit.edu/newsoffice/2010/nano-mri-0427.html

Un nouveau détecteur de mensonge?

Cette semaine, à la suite d’une interrogation soulevée par le professeur de physique qui encadre notre projet, nous nous sommes penchés sur la question suivante : l’IRM pourrait-elle éventuellement être utilisée en tant que détecteur de  mensonge? Au premier abord, nous avons répondu par la négative, convaincus que l’activité cérébrale ne pouvait être détectée par la résonance magnétique. Cependant, en approfondissant le sujet, nous sommes forcés d’admettre que notre hypothèse de départ était erronée.

Un outil pour détecter l’activité cérébrale?

Contrairement à ce que nous le pensions, il est possible de détecter l’activité de différents organes par l’intermédiaire de l’IRM. Il s’agit de prendre des coupes moins précises, mais plus rapides de la partie à observer pour avoir une idée de sa dynamique. Cette technique est appelée IRM fonctionnelle. Grâce à l’IRM, il est entre autres possible de déterminer à quel point le sang circulant en un endroit spécifique est oxygéné. Le phénomène peut être expliqué par la modification des propriétés magnétiques de l’hémoglobine (pigment responsable du transport de l’oxygène dans le sang), qui varient selon la quantité d’oxygène transporté. Puisque les cellules nerveuses du cerveau exigent un apport accru en oxygène lorsqu’elles sont en activité, il est possible de localiser l’activité cérébrale en fonction de la concentration d’oxygène en un certain endroit du cerveau.

Mais comment l’activité cérébrale indique-t-elle que la personne ment?

Les chercheurs qui ont tenté d’utiliser l’IRM comme détecteur de mensonge se sont basés sur une méthode appelée soustraction cognitive. Le principe de cette technique repose sur le fait que si une personne dit la vérité, certaines parties de son cerveau s’activent, alors que si elle ment, les zones actives de son cerveau ne seront pas les mêmes. Par exemple, si je dis à mon ami que j’adore ses nouveaux pantalons jaunes, une partie de mon aire visuelle s’activera. Cependant, si en réalité, je trouve la couleur des pantalons horrible, la même partie de mon aire visuelle s’activera, mais d’autres parties de mon cerveau destinées à l’inhibition des réactions qui pourraient trahir mon mensonge présenteront également une plus grande activité. En comparant l’image cérébrale de plusieurs personnes qui mentent, il serait possible d’identifier les zones cérébrales impliquées et d’établir des critères afin de déterminer les caractéristiques communes au cerveau du menteur.



Gauche (vérité): L'image ne présente aucune activité cérébrale inhabituelle.

Droite (mensonge):L'activité accrue dans le cortex préfrontal du sujet montre qu'il ment.



Par ailleurs, à l’heure qu’il est, l’IRM ne peut être considérée comme une technique fiable de détection du mensonge en raison de variations trop importantes entre le fonctionnement du cerveau de différents individus. Les chercheurs ayant conçu le « No lie MRI » devront donc approfondir leurs recherches s’ils veulent un jour voir leur IRM remplacer le traditionnel polygraphe.

Pour plus d’informations sur le sujet, voir : http://spectrum.ieee.org/biomedical/imaging/mri-lie-detectors/3

RMN

Tout d’abord, pour bien comprendre l’IRM, il est nécessaire de saisir le concept de résonance magnétique nucléaire (RMN).

De façon vulgarisée, la résonance magnétique nucléaire est la modification  d’aimantation des noyaux d’une substance grâce à la coopération de deux champs magnétiques. Il y a le champ statique fixe élevé (vecteur Bo) et celui électromagnétique tournant (vecteur B1).

Le champ horizontal Bo est entouré de protons tournant autour de celui-ci à une certaine fréquence angulaire. Bo possède deux angles de précession, un vecteur d’aimantation dans le sens de Bo (parallèle) et un dans le sens opposé (antiparallèle). Ces deux angles sont deux niveaux d’énergie : basse énergie (parallèle) et haute énergie (antiparallèle). Or, la basse énergie possède un peu plus de protons que la haute et, grâce à cette différence, il est possible de produire un signal RMN à l’échelle tissulaire.

Louis Fortin

L’IRM d’un point de vue global

En raison de son excellente résolution spatiale et temporelle, il va sans dire que l’IRM constitue un outil de recherche et de diagnostic très puissant dont la contribution à notre compréhension du fonctionnement de différents organes, notamment, le cerveau, est sans précédent.

En bref, l’IRM permet d’obtenir une image en fonction de l’orientation du moment magnétique (ou spin) des protons contenus dans le noyau des atomes d’hydrogène lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique. Cette orientation est modifiée par de brèves impulsions d’ondes radio suite auxquelles les moments magnétiques reprennent leur position d’origine en émettant une onde enregistrée sous forme de signal. La nature des tissus peut être déterminée selon le temps requis afin que lesdits moments retrouvent leur position initiale.

Voici un lien intéressant qui explique le fonctionnement de l’IRM très simplement. À découvrir!http://www.cea.fr/var/cea/storage/static/fr/jeunes/animation/aLaLoupe/IRM/animation.htm

Vision voit au-delà de la surface

L’imagerie médicale permet l’observation des processus biologiques au sein d’organismes vivants. Cette méthode, grâce à laquelle la détection de certaines anomalies physiologiques est possible, est non invasive. Elle ne présente donc aucun risque de lésion pour les tissus observés.

Fascinée par les images d’une grande précision pouvant être obtenues par l’intermédiaire de l’IRMN (Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire), l’équipe Vision, formée de quatre visionnaires passionnés de physique, a choisi de se consacrer à l’approfondissement de cette technique des plus intéressantes.

Responsabilités!

Chef : Louis Fortin
Secrétaire :Valérie Tremblay-Abel
Responsable du journal : Paul Neag
Responsable du blog : Julien Fontaine

Génial!