présentation soutenance M1 Physique

Réalisation de fantômesRéalisation de fantômesAgarose- CuSOAgarose- CuSO44

pour l'IRM 3Tpour l'IRM 3T

Gilles Grenot

Réalisation de fantômes Réalisation de fantômes Agarose- CuSOAgarose- CuSO44 pour l'IRM 3T pour l'IRM 3T• Présentation du laboratoire• Physique de la RMN en IRM• Objectif et Motivations• Protocole expérimental• Analyse et résultat• Conclusion• Bibliographie

CyceronCyceron

- GIP Cyceron = une plate-forme d'imagerie médicale en neurosciences et

biomédicales

- 6000 m carré

- CEA, CNRS, INSERM, UCBN

- CI-NAPS (UMR6232)

- SCII : Informatique et Imagerie

Présentation du Laboratoire

Physique de la RMN en IRM

L'aimantation des spinsL'aimantation des spinsRésonance Magnétique Nucléaire

Noyaux d'H: - abondants - bon signaux RMN

Protons oscillateurs: - spin nucléaire I= ½

- moment magnétique µ

- pulsation de Larmor

En l'absence de champ: les µ sont orientés dans tous

les sens, leur somme est = 0 donc M=0

Application d'un champ B0

homogène et intense

M=M0, parallèle à B0

E1

E2

E

Aimantation macroscopique M

Boltzmann excès

B0

ω0=γB0


Mise en phase des spinsMise en phase des spinsApplication d'un champ B1 tournant:

- avec wr = w0 , transition de E1 vers E2,

-égalisation des spins sur les niveaux d'énergie

- perturbation de l'équilibre, bascule de M autour de B1 à w1, disparition Mz

- mise en phase des spins apparition Mxy

X'Y'

Z

Mzo

MzM

Mxy

Mxym

Bo

B1

X

Y

wo

wr w1


Schéma global du processus RMNSchéma global du processus RMN

Transition E1 vers E2

Rephasage

E1

E2

Bo

Mzo

MxymM


Relaxation des spins:TRelaxation des spins:T11

Mo

RF 90°

RF 90°

TT11: tps de relaxation spin- réseau:: tps de relaxation spin- réseau: repousse exponentielle de Mz jusqu'à Mo

- les variations du champ magn. local, créées par l'environnement des molécules en mouvement(agitation therm.), stimulent le retour à l'équilibre des noyaux d'H.

- La stimulation est plus efficace si les variations du chp se font à la fréqu. de Larmor .

- Au niveau macro, le T1 va dependre du nbre de noyaux d'H stimulés à la bonne fréquence à chaque instant.

T1 court

- T1(liqu) > T1(sol)> T1(graisse)

Graisse: Grosse molecules; Mvts moléculaires lents; Eau pure: Petites molécules; Mvts moléculaires rapides;

Glace: Mvts moléculaires extememt lents;

f vibr /rot f Larmor

f vibr / rot≈ f Larmor

f vibr / rot f Larmor

f vibr / rot f Larmor


Relaxation des spins:TRelaxation des spins:T22

Mo

RF 90°

RF 90°

TT22: tps de relaxation spin- spin: : tps de relaxation spin- spin: décroissance exponentielle de Mxy à 0

- Perte de cohérence de phase des spins

- Retour naturel à un déphasage spontané des spins

- présence d'un champ local à l'échelle µ qui se superpose à Bo au niveau de chaque noyau.

Chaque noyau ne précesse donc pas à la même fréquence que les noyaux voisins. Les fréquences de résonance s'étalent sur une plage de fréquence.

0= B0B0


Relaxation exponentielle des spinsRelaxation exponentielle des spins

MoMxy

t

M0e

−tT2

RF 90°

Mz

M01−e

−tT1

RF 90°

T1: tps de relaxation spin- réseauT2: tps de relaxation spin- spin

RF 90°

Tissus T1 à 3T-7T(ms) T2 à 3T- 17T(ms)

Liquide Céphalo-Rachidien 3050 - 323-

Substance grise 1300- 1850 99 - 50

Substance blanche 830 - 1770 82 -

T2<T1 pour un tissu donné

Objectifs et Motivations de la Manipulation

Utilité et Contraintes des fantômesUtilité et Contraintes des fantômesLes fantômes servent à réguler et vérifier le bon fonctionnement de l'instrumentation(test maintenance/ qualité) Les fantômes servent à optimiser les séquences d'acquisition Les fantômes doivent être amagnétiques Les fantômes ne doivent pas être conducteurs Fantôme: mélange chimique ayant pour but de simuler des tissus humains ( même tps de relaxation)

Ce fantôme: « modulable », en fonction des concentrations du mélange chimique Ag(“T2 modifier”et CuSO4 (“T1 modifier”), calcul de relaxivité

Constitution des mélangesConstitution des mélanges

Protocole expérimental

• A partir de la synthèse d'un mémoire et d'un article scientifique

• Préparation de 50mL du CuSO4: on dissout m=CVM=37,45mg de CuSO4 ds de l'eau pure

• On prépare l'Agarose: 1%Ag = 1g d'Ag dissous ds 100mL de solution:(tube de 16,5mL) - 165mg = Ag 1% - 330mg = Ag 2% - 412,5mg = Ag 2,5%

• Dilution successive:volumes de CuSO4 à rajouter à l'Ag pour avoir des bonnes [CuSO4] - pour 0,5mM on ajoute 2.75mL - pour 0,6mM on ajoute 3,3mL - pour 0,7mM on ajoute 3,85mL

• Chauffage Agarose (gél, homogénéité de la solution)

[CuSO4] [Agarose] en mM en % 0 0 0.5 1 0.6 1 0.7 1 0.5 2 0.6 2 0.7 2 0.5 2.5 0.6 2.5 0.7 2.5

Les mélanges Agarose-CuSO4Les mélanges Agarose-CuSO4

Agaroseen poudre

CuSO43mM

EauAg 0%CuSO4 0mM Ag 2.5%

CuSO4 0.6mM

Ag 2.5%CuSO4 0.7mM

Ag 2%CuSO4 0.7mM

Ag 1%CuSO4 0.7mM

Ag 2%CuSO4 0.6mM

Ag 1%CuSO4 0.6mM

Ag 2.5%CuSO4 0.5mM

Ag 2%CuSO4 0.5mM

Ag 1%CuSO4 0.5mM

Bo

Protocole expérimental

Décroissance exponentielle en T2Décroissance exponentielle en T2

• Séquence Turbo Spin echo (TSE)

• Pour chaque tube, on sélectionne une ROI de même taille dont on relève l'intensité en fonction des tps d'échos

• Décroissance exponentielle de la composante transversale de l'aimantation macroscopique à [CuSO4]=cte=O.6mM

TE(ms) I du signal (u.a) I du signal (u.a) I du signal (u.a) 1% d'Ag 2% d'Ag 2.5% d'Ag

40 1615.8 1788.3 1934.660 1505.6 1670.5 1833.080 1468.6 1571.8 1766.4100 1417.6 1487.3 1705.4120 1361.6 1395.8 1634.1140 1317.5 1318.5 1578.6160 1271.0 1241.8 1513.6180 1222.0 1170.5 1460.9200 1186.2 1105.6 1402.6220 1139.9 1044.6 1351.8240 1103.9 979.8 1300.6260 1061.4 929.0 1251.8280 1026.6 874.2 1205.3300 990.5 824.2 1161.5320 955.9 779.3 1115.8340 922.0 729.8 1075.1360 889.6 694.7 1036.0380 859.5 650.3 996.1400 829.7 618.5 959.5

Analyse et Résultats

Décroissance exponentielle en TDécroissance exponentielle en T22


Relaxivité de l'Ag en TRelaxivité de l'Ag en T22 d'un mélange d'un mélange


• Mxy=M0 e−TE / T2

• ln( Mxy =ln M 0 − TE / T 2 = ln( M0 − R 2(CuSO4, Ag).TE

• Régression linéaire

Relaxation en TRelaxation en T22 des mélanges des mélanges

Mélange [CuSO4](mM)/ R2= 1/T2 Std. Error t value Pr(>t) Agarose(%) (ms-1) 1 0.7/1 0,002379 2,892e-5 - 82,2488 1,2120e-24 2 0.7/2 0,002438 1,868e-5 - 130,5039 3,0240e-28 3 0.7/2.5 0,007319 2,706e-5 - 270,4804 6,1146e-34 4 0.6/1 0,001754 2,728e-5 - 64,2966 1,0051e-22 5 0.6/2 0,002912 1,788e-5 - 162,8018 5,6668e-30 6 0.6/2.5 0,001883 2,239e-5 - 84,1318 8,0725e-25 7 0.5/1 0,001514 2,591e-5 - 58,4082 5,6188e-22 8 0.5/2 0,002428 1,667e-5 - 145,6605 4,1920e-29 9 0.5/2.5 0,003187 2,174e-5 - 146,5619 3,7517e-29 10 0/0 0,000423 1,736e-5 - 24,3415 3,1646e-15


Aimantation MoAimantation Mo• Mo est décrite par la loi

de Curie • dépend du nombre de

noyaux d'H• S'assurer des bonnes [Ag]

Mélange [CuSO4](mM)/ Mo Std. t Value Pr(>t) Ag] (%) (ua) Error 1 0.7/1 7,427 0,00693 1071,768 1,056e-44 2 0.7/2 7,579 0,00447 1693,413 2,805e-48 3 0.7/2.5 7,607 0,00648 1173,361 2,069e-45 4 0.6/1 7,425 0,00654 1135,869 3,713e-45 5 0.6/2 7,589 0,00428 1771,095 1,251e-48 6 0.6/2.5 7,622 0,00536 1421,038 6,588e-47 7 0.5/1 7 ,451 0,00621 1200,067 1,380e-45 8 0.5/2 7,580 0,00399 1898,205 3,594e-49 9 0.5/2.5 7,631 0,00521 1464,921 3,811e-47 10 0/0 7,580 0,00416 1822,085 7,507e-49


M0=Nγ2B0I I+1

3kB

Aimantation MoAimantation Mo


Evolution de la Relaxivité de l'Agarose Evolution de la Relaxivité de l'Agarose en Ten T22 en fonction de [CuSO4] en fonction de [CuSO4]

• On trace la concentration de CuSO4 donnée, la vitesse de relaxation 1/T2 en fonction de la concentration d'Agarose dans le mélange, on obtient la relaxivité de l'Agarose en T2. On s'intéresse à rAg tel que:

• On trouve: - à 0,5mM de CuSO4: rAg = 1,0807.10^(- 3) %.ms-1 avec un coeff de corrélation de 0.554 - à 0,6mM de CuSO4: rAg = 2,3428.10^(- 4) %.ms-1 avec un coeff de corrélation de 0.081 - à 0,7mM de CuSO4: rAg = 2,7198.10^(- 3) %.ms-1 avec un coeff de corrélation de 0.979


R 2 CuSO 4 ,Ag =r Ag . [Ag ]+R 2,0 CuSO 4

Relaxivité de l'Agarose en T2Relaxivité de l'Agarose en T2


Séquence MIXSéquence MIX


Concentration Mean T1 Std.Dev T1 Mean T2 Std.Dev T2 Mean ρ Std.Dev ρCuSO4(mM)/Ag(%) 0.7/1 539.70 93.35 28.22 4.92 838.01 341.76 0.7/2 475.60 109.48 23.80 3.24 1117.44 419.02 0.7/2.5 436.76 59.64 33.34 45.14 1467.99 303.86 0.6/1 483.64 148.21 28.70 5.34 850.48 338.67 0.6/2 483.92 23.84 21.65 5.46 1114.23 440.42 0.6/2.5 442.44 16.73 18.35 0.82 1234.72 518.55 0.5/1 558.52 18.10 28.59 5.71 896.79 357.60 0.5/2 495.96 16.30 21.18 4.60 1133.62 445.95 0.5/2.5 462.42 41.35 18.08 3.84 1311.98 497.82 0/0 2035 12 1495.69 564.96

ConclusionConclusion

• L'étude montre qu'il nous aurait fallu plus de tubes pour que nos résultats soient significatifs.

• Le protocole expérimental doit être modifié au niveau du chauffage de l'Agarose (chauffer plus longtemps et trempe thermique)

• Une séquence en T1 en faisant varier les TR au lieux des TE aurait permis de s'assurer de la concentration de CuSO4, ce qui nous aurait permis d'identifier les incohérences des résultats.

BibliographieBibliographie• A two-compartiment gel phantom for optimization and quality

assurance in clinical BOLD fMRI, Johan Osrud, Anders Nilsson, Peter Mannfolk, Anthony Waites, Freedy Stahlberg, Magnetic Resonance Imaging 26 279-286, (2008)

• Mise en place de fantôme de optimisation de séquences en Imagerie par Résonance Magnétique, mémoire du master Imagerie de la Santé soutenu par Mélanie Villedieu, 2006

• FBIRN Stability phantom Quality Assurance procedures, G. H. Glover, Stanford University and FBIRN, 2005

• Comprendre l'IRM, Manuel d'auto-apprentissage, B. Kastler, C. Vetter, Masson, 2006

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présentation soutenance M1 Physique