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Principes de l’Imagerie par Résonance
Magnetique fonctionelle (IRMf)
COAlexandre COMTEPôle d'imagerie -Département Recherche en Imagerie FonctionnelleHôpital Jean Minjoz - CHU Besançon
16 Avril 2009
IntroductionIntroductionComment mesurer l’activité cérébrale ?Comment mesurer l activité cérébrale ?
L’activité cérébrale peut-être mesurée par de nombreux paramètres :- métaboliques : CMRATP CMRglc CMRO2 vitesse de neurotransmission VNT- métaboliques : CMRATP, CMRglc, CMRO2, vitesse de neurotransmission VNT,- électriques : LFP, potentiels d’action (fréq, intensité),- biomécaniques : perfusion CBF, volume sanguin CBV, [O2]sang.
Jusqu’au début des années 90, les techniques d’imagerie fonctionnelle cérébrale étaient :- l’EEG et la MEG : très bonne résolution temporelle mais mauvaise localisation du signal,p g ,- la TEP (15O comme marqueur de CBF) :
→ résolution spatiale meilleure (~4 mm),→ mauvaise résolution temporelle (nécessité de moyenner les sujets),( y j )
La localisation de l’activité cérébrale en TEP repose sur le couplage CBF/activité cérébrale(Roy et al., On the regulation of the blood supply of the brain. J. Physiol. 11:85–108, 1890 )
L’IRM est utilisée depuis le début des années 90. La localisation de l’activité cérébralerepose sur le contraste BOLD (Blood Oxygenation Level-Dependent), contraste associé
èt bi é i CBF CBV t t ti d’Oaux paramètres biomécaniques CBF, CBV et extraction d’O2.
Le contraste BOLDLe contraste BOLD
« Visualisation » de la fonction cérébrale par IRMIRM
Technique BOLDB Bl dB Blood O OxygenationO OxygenationL Level D Dependant
1. Le contraste BOLD1- Rappels sur les principes de l’ IRM
2- Propriétés magnétique de l’hémoglobine2- Propriétés magnétique de l hémoglobine
3- Observation de l’effet BOLD
2. Imagerie1- Les principaux paramètres
2- Le protocole
3. Paradigme IRMf3. Paradigme IRMf1- Les différents designs
2- Paradigme en bloc
4 L’analyse des données4. L analyse des données
1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM
Filtre passe-haut
Image initiale Plan de Fourier
Filtre passe-haut Image filtrée
1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM
Filtre passe-bas
Image initiale Plan de Fourier
Filtre passe-bas Image filtrée
1.2 Propriétés magnétiques de l’hémoglobine
Groupe hèmeGroupe hème
L’hémoglobine Hb• L’hémoglobine contient 4 groupes polycycliques ferreux : les hèmes L hémoglobine contient 4 groupes polycycliques ferreux : les hèmes.• L’O2 se fixe à chaque hème par liaison de coordination avec l’atome de Fe.
P iété éti d l’HbPropriétés magnétiques de l’Hb• O2 lié au Fe (oxyHb) → tous les électrons du Fe sont appariés → pas deperturbation du champ magnétique environnant (hème diamagnétique)• absence d’O2 (désoxyHb) → électrons non appariés → champ magnétiquesupplémentaire généré par ces électrons (hème paramagnétique)
1.3 Observation de l’effet BOLD
Première description chez le rongeur (1990) (Ogawa et al, PNAS 87:9868, 1990)
Variation du signal autour des vaisseaux avec l’oxygenation sanguinesang faiblement oxygéné sang fortement oxygénég yg g yg
BB0 B0
1.3 Observation de l’effet BOLD
Repos ActivitéRepos Activité
OxygèneNeurone Capillaire
HémoglobineNeurone Capillaire
1.3 Observation de l’effet BOLD
Repos ActivitéRepos Activité
F t t ti d l iForte augmentation : du volume sanguindu débit sanguinde l’apport en Ode l’apport en O2
Faible augmentation de la consommation en O2
Baisse du rapportDésoxy-hémoglobine
Oxy-hémoglobineOxy-hémoglobine
1.3 Observation de l’effet BOLD
Désoxyhémoglobine est paramagnétique: elle réduit lesignal IRM T2* du parenchymeg p y
Si activation cérébrale : [O2] signal IRMSi activation cérébrale : [O2], signal IRM
EFFET BOLD = variation locale de susceptibilitéEFFET BOLD = variation locale de susceptibilité magnétique par variation du rapport Désoxy-Hb/Oxy-Hb (→ DésoxyHb agent de contraste intrinsèque)DésoxyHb=agent de contraste intrinsèque)
i ti d l’ lit d d i l IRMvariation de l’amplitude du signal IRM
2 1 Les principaux paramètres2. L’imagerie2.1 Les principaux paramètres
- Orientation des coupes (sagittale, coronale, parallèle à CA-CP…)
- taille du volume d’acquisition- taille dans le plan (x,y)- nombre de coupes résolution spatialenombre de coupes - épaisseur des coupes (z)
- temps d’acquisition d’un volume (TR)- nombre de volumes acquis(= session) la résolution temporelle
- synchronisation stimuli / acquisition
- type de séquence IRM (EPI, anatomique haute résolution …)
2 1 Les principaux paramètres2. L’imagerie2.1 Les principaux paramètres
Les compromis :
Taille du volume => durée d’acquisitionqRésolution spatiale => signal /bruit & volume partielRésolution temporelle => durée d’acquisition
Type séquence, l’orientation ont des effets sur les distorsions …
2 2 Le protocole2. L’imagerie2.2 Le protocole
1- Il FAUT penser à la façon d’analyser les résultats AVANT de faire l’expérience…APRES il est so ent trop tard!APRES il est souvent trop tard!
2- La mesure comporte essentiellement du signal qui n’a pas d’intérêt.L’effet que nous mesurons représente souvent moins de 1% du signal et entre 1.5% et 8% de variation de signal entre repos et activité.Pour voir cet effet, il faut beaucoup de répétitions, p p
3- Le passage dans l’IRM n’est pas une partie de plaisirIl faut que le sujet reste le moins de temps possible dedans:Il faut que le sujet reste le moins de temps possible dedans:Éthique + artéfacts dus à la modification de la vigilance
2 2 Le protocole2. L’imagerie2.2 Le protocole
La base de tout ce que l’on peut dire repose sur la différence entre deux conditions
L’aire de Broca est activée pendant la lecture.
NON : L’aire de Broca est plus active pendant qu’on lit que pendant que :- on est au repos
d d d i- on regarde des dessins- on regarde des signes qui ne sont pas des lettres,-…..
2. L’imagerie2 2 Le protocole
L h d i l
2.2 Le protocole
Le changement de signal durant l’activité neuronale est d 1 5 à 5% à 1 5T difféde 1.5 à 5% à 1.5T, différence invisible à l’œil nu. Répétition de l’acquisition unRépétition de l acquisition un grand nombre de fois pour augmenter le rapportaugmenter le rapport signal/bruit
2. L’imagerie2 2 Le protocole
L t l d’ ti ti
2.2 Le protocole
Le protocole d’activation :• Comprend toujours une alternance de phase de• Comprend toujours une alternance de phase de
repos (R) et d’activation (A) = Paradigme d’activationd’activation
• Dépend de la fonction cérébrale étudiée• Le but est de capter la réponse hémodynamique :
On doit mettre en perspective la durée de l’événement et celle de la réponse hémodynamique
3. Paradigme IRMf1 L diffé t d i1- Les différents designs
= trial of one type
Block
= null trial (nothing happens)
= trial of one type (e.g., face image)= trial of another type
(e.g., place image)
Design
Slow ERSlow ERDesign
RapidRapidCounterbalanced
ER Design
R idRapidJittered ER
Design
MixedDesign
4. L’analyse des données
Le principe de l’analyse : chercher dans notre sériep p y
ce qui régresse avec la réponse prévueq g p p
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