UNIVERSIT DE MONTRAL
CARACTRISATION DE LA MICROSTRUCTURE DES VOIES SPINALES HUMAINES
PAR IRM MULTIPARAMTRIQUE
SIMON LVY
INSTITUT DE GNIE BIOMDICAL
COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL
MMOIRE PRSENT EN VUE DE LOBTENTION
DU DIPLME DE MATRISE S SCIENCES APPLIQUES
(GNIE BIOMDICAL)
MARS 2016
Simon Lvy, 2016.
UNIVERSIT DE MONTRAL
COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL
Ce mmoire intitul :
CARACTRISATION DE LA MICROSTRUCTURE DES VOIES SPINALES HUMAINES
PAR IRM MULTIPARAMTRIQUE
prsent par : LVY Simon
en vue de lobtention du diplme de : Matrise s sciences appliques
a t dment accept par le jury dexamen constitu de :
M. STIKOV Nikola, Ph. D., prsident
M. COHEN-ADAD Julien, Ph. D., membre et directeur de recherche
M. RAINVILLE Pierre, Ph. D., membre et codirecteur de recherche
Mme BRAMBATI Simona Maria, Ph. D., membre
iii
DDICACE
Patricia,
Line,
iv
REMERCIEMENTS
Je tiens tout dabord remercier mes deux superviseurs, Julien Cohen-Adad et Pierre
Rainville pour tout lenseignement quils mont apport, pour la confiance quils mont accorde
pour la ralisation de ces travaux et pour le niveau de comptence, desprit critique et dexpertise
dans le domaine de lIRM du systme nerveux central auquel ils ont su mamener.
Je souhaite ensuite remercier Jeni Chen pour laide quelle ma apporte tout au long de
ma matrise. Par la mme occasion, je tiens remercier chaleureusement Ali Khatibi et Kristina
Aurousseau pour toute laide et la dvotion dont ils ont fait preuve lors de la collecte des donnes
pour mon tude. Enfin, je noublie pas de remercier grandement Nascan Gill pour laide quil
ma apporte lors du recrutement des sujets ainsi que Carollyn Hurst pour toute son implication
et toutes les discussions trs intressantes lors des nombreux scans.
Je voudrais ensuite remercier Nikola Stikov galement pour lenseignement quil ma
apport lors de toutes ces discussions trs enrichissantes que nous avons eues et le temps quil a
su maccorder. Cest un honneur pour moi davoir pu le connatre et partager mes interrogations
avec lui, je nen aurai jamais assez profit. Je remercie de mme Jennifer Campbell pour son aide
et sa grande gentillesse.
Je souhaite galement remercier Aviv Mezer pour avoir accept de partager ses
connaissances et pour toute son aide, particulirement lors de mon travail sur le MTV.
Mes avant-derniers remerciements mais non des moindres seront pour tous mes
camarades de recherche. Tout dabord ceux qui ont t prsents tout au long de ma matrise,
Tanguy Duval, Benjamin De Leener, Gabriel Mangeat, Alexandru Foias et Nibardo Lopez pour
toute laide et le soutien quils mont apports et toutes les conversations que nous avons eues sur
des sujets divers et varis. Puis tous ceux qui sont rests un peu moins longtemps et qui ont tout
de mme contribu mon projet de prs ou de loin et mont apport une aide prcieuse : Sara
Dupont, Ryan Topfer, Eddie Magnide, Marc Benhamou, Manh-Tung Vuong, Marvin Brun-
Cosme-Bruny, William Perrault, Olivier Comtois, Tanguy Magnan, Augustin Roux et Julien
Touati. Enfin, je tiens remercier particulirement Blanche Perraud pour toute laide quelle ma
apporte en ce qui concerne lhistologie de la matire blanche dans la moelle pinire.
v
Je souhaiterais terminer ces remerciements par ceux que jadresse ma famille ainsi qu
mes proches, Alexandra, Mylne, Flix, Arielle, tienne, Amlie, Mathieu, Sophie, Louise, Paul-
Adrien, pour tout le soutien moral quils mont apport tout au long de ma matrise.
Ce projet a t financ par les Instituts de Recherche en Sant du Canada (IRSC),
lquipe de Recherche en Radaptation Sensori-Motrice (ERRSM) des Instituts de Recherche en
Sant du Canada [FG1892A1/1], les Fonds de Recherche du Qubec - Sant (FRQS), le Rseau
de Bio-Imagerie du Qubec (RBIQ) et le Conseil de Recherches en Sciences Naturelles et en
Gnie du Canada (CRSNG).
vi
RSUM
La routine clinique en IRM pour le diagnostic ou le suivi de pathologies
neurodgnratives telles que la sclrose en plaques ou la dgnrescence wallrienne ne se fait
actuellement que par une valuation visuelle base sur des diffrences de contraste dans des
images anatomiques. Il est donc difficile de dterminer prcisment le degr des lsions. LIRM
quantitative (IRMq) se propose de quantifier lvolution du tissu par des mtriques sensibles et
spcifiques aux diffrentes caractristiques microstructurales. Trs dvelopp dans le cerveau, sa
faisabilit et ses applications ont t dmontres dans la moelle. Toutefois, lacquisition de telles
mtriques prend gnralement trop de temps et est souvent trop exigeant en termes de force de
gradients magntiques pour entrer dans un cadre clinique. De plus, plusieurs sources derreurs
sont susceptibles de baiser les mesures.
Ce mmoire vise mettre en place un protocole complet (de lacquisition au traitement
des donnes) permettant lestimation de mtriques IRMq spcifiquement chaque voie spinale.
Les principales mtriques issues de ce protocole sont le Ratio de Transfert de Magntisation
(MTR), le temps de relaxation T1, le Volume de Tissu Macromolculaire (MTV), les indices des
modles de diffusion NODDI (Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging) et DTI
(Imagerie par Tenseur de Diffusion), le g-ratio (ratio du diamtre axonal sur celui de la fibre
incluant la gaine de myline) et laire de section axiale. Le protocole dvelopp est applicable en
clinique et prend en compte les diffrentes sources derreurs connues qui peuvent sintroduire
dans les mesures durant lacquisition. De plus, bas sur le recalage dun atlas des voies spinales
sur chaque mtrique, le protocole de traitement de donnes, rapide et quasi-automatique, permet
de saffranchir du biais li loprateur lors de la dlimitation manuelle des rgions dintrt.
Quant la mthode destimation, elle emploie des estimateurs tels que les estimateurs des
moindres carrs et du maximum a posteriori permettant dattnuer leffet de volume partiel et du
bruit ; elle est par ailleurs valide sur un fantme synthtique. Finalement, le protocole complet
est appliqu une cohorte de 16 jeunes adultes (de 21 33 ans) et 14 adultes gs (de 61 73
ans) sains afin dvaluer sa sensibilit aux diffrentes microstructures dans la matire blanche de
la moelle pinire.
Pour toutes les mtriques les estimations montrent des valeurs en accord avec la
littrature. Toutes les mtriques except les fractions de volume intracellulaire, de volume
vii
occup par les fibres et de volume occup par les axones montrrent une diffrence
significative entre la colonne dorsale et la voie corticospinale allant dans le sens des observations
histologiques. En revanche, seul le MTR montra une diminution significative entre jeunes et
gs, en accord avec les tudes histologiques selon lesquelles une perte de fibres mylinises se
produit lors du vieillissement. notre connaissance, cest la premire tude portant sur
lvolution du MTR avec lge dans la moelle pinire. Ces rsultats sont cohrents avec ceux
observs dans le cerveau. De plus, le MTR montre une variabilit interindividuelle trs faible,
contrairement aux indices NODDI qui sont trs affects par le bruit et leffet de volume partiel tel
que rapport dans les tudes antrieures. Cependant, afin de dterminer si les variations de ces
mtriques sont dues des variations dans les caractristiques microstructurales de la matire
blanche des sujets ou un manque de prcision, une valuation de la reproductibilit inter-scans
du protocole complet ainsi quune validation sur fantmes (pour valuer la spcificit) et
chantillons de moelle ex-vivo sont ncessaires.
Le protocole dacquisition et de traitement de donnes mis en place ouvre grand la voie
des tudes prcliniques multicentriques avec un grand nombre de sujets (plusieurs centaines),
dans la perspective dvaluer la reproductibilit des mtriques entre les centres et un jour de les
faire entrer dans la routine clinique en tant que biomarqueurs de lintgrit du tissu.
viii
ABSTRACT
The current clinical MRI routine for the diagnosis or the screening of neurodegenerative
pathologies such as multiple sclerosis or Wallerian degeneration, consists of a simple visual
assessment based on contrast differences in anatomical images. Therefore it is hard to precisely
assess the stage of the lesions. Quantitative MRI (qMRI) proposes to quantify the evolution of the
tissue using metrics sensitive and specific to the different microstructural characteristics. Widely
developed in the brain, its feasibility and applications have been demonstrated in the spinal cord.
However, the acquisition of such metrics is too time-consuming and demanding in terms of
magnetic gradient strength to apply in a clinical framework. Moreover, several sources of error
are likely to bias the measures.
This thesis aims to develop a comprehensive protocol (from the acquisition to the
processing of the data) allowing the estimation of qMRI metrics specifically in each spinal
pathway. The main metrics resulting from this protocol are the Magnetization Transfer Ratio
(MTR), the relaxation time T1, the Macromolecular Tissue Volume (MTV), the diffusion indices
from NODDI (Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging) and DTI (Diffusion Tensor
Imaging) models, the g-ratio (ratio of the inner diameter over the outer diameter of a fiber,
including its myelin sheath) and the cross-sectional area. This protocol is applicable in a clinical
framework and takes into account the different sources of error that are likely to affect the
measures during acquisition. In addition, since it is based on the registration of a white matter
atlas to each metric, the fast and almost automatic data processing pipeline allows to get rid of the
usual user-related bias induced by the manual drawing of regions of interest. Moreover, the
estimation method uses estimators such as the least square and the maximum a posteriori
estimators allowing to mitigate the effect of partial volume and of noise; furthermore, a validation
of the method is performed on a synthetic phantom. Finally, the whole protocol is applied to a
cohort of 16 young (aged 21 to 33) and 14 elderly (aged 61 to 73) healthy adults in order to
assess its sensitivity to different microstructures in the spinal cord white matter.
For all metrics the estimations show values in agreement with the literature. All metrics
except the intracellular, the axonal and the fiber volume fractions showed significant difference
between the dorsal column and the corticospinal tract, as suggested by histology. However, only
the MTR showed a significant decrease between young and elderly, in agreement with
ix
histological studies reporting a loss of myelinated fibers with aging. To our knowledge, this is the
first study about the evolution of MTR with aging in the spinal cord. These results are consistent
with those observed in the brain. Moreover, MTR shows a very low inter-subject variability,
contrary to the NODDI indices which are affected by noise and partial volume effect, as reported
in previous studies. However, to determine whether the variations of these metrics are due to
variations in the microstructural characteristics of the subjects white matter or to a lack of
precision, an assessment of the inter-scan reproducibility of the whole protocol is needed, as well
as a validation on phantoms (to assess the specificity) and on spinal cord ex-vivo samples.
This acquisition and processing protocol paves the way for preclinical multicenter studies
with a large number of subjects (several hundreds), with the purpose of assessing the
reproducibility of metrics between centers and someday, bringing them into the clinical routine as
biomarkers of the tissue integrity.
x
TABLE DES MATIRES
DDICACE ................................................................................................................................... III
REMERCIEMENTS ..................................................................................................................... IV
RSUM ....................................................................................................................................... VI
ABSTRACT ............................................................................................................................... VIII
TABLE DES MATIRES ............................................................................................................. X
LISTE DES TABLEAUX .......................................................................................................... XIV
LISTE DES FIGURES ............................................................................................................... XVI
LISTE DES SIGLES ET ABRVIATIONS .............................................................................. XX
CHAPITRE 1 INTRODUCTION ............................................................................................... 1
1.1 Rationnel .......................................................................................................................... 1
1.2 Objectifs ........................................................................................................................... 3
1.2.1 Objectifs gnraux ........................................................................................................ 3
1.2.2 Objectifs spcifiques .................................................................................................... 4
1.3 Hypothses scientifiques .................................................................................................. 4
CHAPITRE 2 REVUE CRITIQUE DE LA LITTRATURE ................................................... 7
2.1 La moelle pinire ............................................................................................................ 7
2.1.1 Anatomie ...................................................................................................................... 7
2.1.2 La matire grise ............................................................................................................ 8
2.1.3 La matire blanche ....................................................................................................... 9
2.1.4 Effet de lge sur la microstructure de la matire blanche ......................................... 18
2.2 LIRM quantitative ......................................................................................................... 23
2.2.1 Le principe de lIRM .................................................................................................. 23
2.2.2 LIRM quantitative ..................................................................................................... 28
xi
2.2.3 Quantification des mtriques dans les voies spinales ................................................. 32
2.3 IRM multiparamtrique .................................................................................................. 35
2.3.1 Le temps de relaxation longitudinal T1 ...................................................................... 35
2.3.2 La Densit Protonique (PD) et le Volume de Tissu Macromolculaire (MTV) ........ 38
2.3.3 Le Ratio de Transfert de Magntisation (MTR) ......................................................... 42
2.3.4 LIRM de diffusion .................................................................................................... 47
2.3.5 Le g-ratio .................................................................................................................... 55
CHAPITRE 3 ORGANISATION GNRALE DU DOCUMENT PAR RAPPORT AUX
OBJECTIFS DE RECHERCHE ET PUBLICATIONS RSULTANTES ................................... 58
3.1 Conclusions tirer de la revue de littrature (Chapitre 2) ............................................. 58
3.2 Organisation des chapitres ............................................................................................. 59
3.3 Publications et activits rsultants du prsent mmoire ................................................. 60
3.3.1 Articles de journaux ................................................................................................... 60
3.3.2 Rsums de confrence .............................................................................................. 62
CHAPITRE 4 ARTICLE 1 : WHITE MATTER ATLAS OF THE HUMAN SPINAL CORD
WITH ESTIMATION OF PARTIAL VOLUME EFFECT ......................................................... 64
4.1 Abstract .......................................................................................................................... 65
4.2 Introduction .................................................................................................................... 66
4.3 Material and Methods ..................................................................................................... 67
4.3.1 Atlas creation .............................................................................................................. 67
4.3.2 Methods for extracting metrics from the atlas ........................................................... 71
4.3.3 Validation using synthetic phantom ........................................................................... 73
4.3.4 Application to real data .............................................................................................. 74
4.4 Results ............................................................................................................................ 75
4.4.1 White matter atlas ....................................................................................................... 75
xii
4.4.2 Metric extraction methods .......................................................................................... 77
4.4.3 Application to real data .............................................................................................. 82
4.5 Discussion ...................................................................................................................... 84
4.5.1 Creation of the WM atlas ........................................................................................... 85
4.5.2 Quantification of metrics within the atlas .................................................................. 85
4.5.3 Comparison with manual extraction .......................................................................... 87
4.5.4 Application to real data .............................................................................................. 87
4.5.5 Registration of the atlas .............................................................................................. 88
4.5.6 Applications and future work ..................................................................................... 89
4.6 Conclusion ...................................................................................................................... 89
4.7 Acknowledgements ........................................................................................................ 90
4.8 References ...................................................................................................................... 90
CHAPITRE 5 MTHODE GLOBALE ET RSULTATS ...................................................... 95
5.1 Protocole dacquisition ................................................................................................... 95
5.1.1 Mtriques retenues ..................................................................................................... 95
5.1.2 quipement clinique ................................................................................................... 96
5.1.3 Dfinition du protocole dacquisition ........................................................................ 96
5.2 Protocole de traitement des donnes ............................................................................ 100
5.2.1 Calcul des mtriques ................................................................................................ 100
5.2.2 Estimation des mtriques dans les ROIs .................................................................. 106
5.3 Application du protocole complet : sensibilit lge ................................................. 109
CHAPITRE 6 DISCUSSION GNRALE ........................................................................... 117
6.1 Applicabilit du protocole en clinique ......................................................................... 117
6.1.1 Acquisition ............................................................................................................... 117
xiii
6.1.2 Traitement des donnes ............................................................................................ 118
6.2 Performances du protocole : prcision et exactitude des rsultats ............................... 119
6.2.1 Comparaison avec la littrature ................................................................................ 119
6.2.2 La variabilit interindividuelle est-elle due une microstructure diffrente ou une
faible prcision ? .................................................................................................................. 120
6.2.3 Sensibilit lge ..................................................................................................... 123
6.3 Directions futures ......................................................................................................... 125
CHAPITRE 7 CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS ............................................... 129
RFRENCES ............................................................................................................................ 132
ANNEXE A Effet du sexe sur la microstructure de la matire blanche (revue de la littrature)
...................................................................................................................................................... 151
xiv
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 2.1 : Fonctions des voies spinales majeures. .................................................................... 14
Tableau 2.2 : Caractristiques microstructurales des diffrentes voies spinales de la matire
blanche.. ................................................................................................................................. 16
Tableau 2.3 : Moyenne cart-type du T1 (ms) mesur dans la moelle cervicale humaine 3T . 37
Tableau 2.4 : Moyenne erreur type de la moyenne ( . ) du
MTV (%) dans la matire blanche du cerveau chez des sujets sains. Adapt de : P. Tofts
(2005) ..................................................................................................................................... 41
Tableau 2.5 : MTR (%) report dans les diffrentes rgions de la moelle cervicale chez des sujets
sains : moyenne cart-type ou mdiane (distribution). ....................................................... 45
Tableau 2.6 : Valeur moyenne +/- cart-type de la FA dans la moelle cervical par niveau
vertbral selon Brander et al. (2014) ...................................................................................... 49
Tableau 2.7 : Moyenne +/- cart-type des indices DTI chez 9 sujets sains 3T entre les niveaux
vertbraux C2 C6 reportes par Seth A. Smith et al. (2010) ............................................... 50
Tableau 2.8 : Diffrence Bland-Atman normalise (diffrence moyenne) entre scan et rescan 3T
chez 9 sujets sains entre les niveaux vertbraux C2 et C6 reportes par Seth A. Smith et al.
(2010) ..................................................................................................................................... 50
Tableau 2.9 : Mdiane [longueur de la distribution] des indices NODDI et DTI au niveau cervical
selon Grussu et al. (2015) ....................................................................................................... 54
Tableau 2.10 : Coefficient de variation (%) des indices NODDI et DTI aprs scan/re-scan selon
Grussu et al. (2015). ............................................................................................................... 54
Table 4.1: Mean MTR across subjects and vertebral levels for all tracts. The STD represents the
variability across subjects....................................................................................................... 83
Table 4.2: Results of the 4-way ANOVA performed on MTR values in 30 tracts, right and left
(laterality), 4 levels (C2, C3, C4 and C5) and 5 adult subjects. ............................................. 84
Tableau 5.1 : Protocole d'acquisition mis en place. ....................................................................... 98
Tableau 5.2 : Dmographie de l'chantillon sur lequel le protocole a t appliqu. .................... 110
xv
Tableau 5.3 : Moyenne cart-type des mtriques chez jeunes (J) et gs () dans la moelle, la
WM, la GM, le fasciculus gracilis (FG), le fasciculus cuneatus (FC) et la voie corticospinale
latrale (CSL). ...................................................................................................................... 113
Tableau 5.4 : P-values des tests t de Student raliss entre jeunes et gs pour chaque mtrique
dans chaque ROI (FG=fasciculus gracilis, FC=fasciculus cuneatus, CSL=voie corticospinale
latrale) ................................................................................................................................. 114
Tableau 5.5 : Coefficient de corrlation de Pearson R et p-value du test de lhypothse de non
corrlation (H0) entre la valeur de chaque mtrique estime dans la moelle et la CSA de la
moelle (sur l'chantillon total) .............................................................................................. 114
Tableau 5.6 : Coefficient de variation (exprim en %) interindividuel dans chaque groupe pour
chaque mtrique dans les diffrentes ROIs.. ........................................................................ 115
Tableau 5.7 : P-value des tests t de Student pairs unilatraux (avec sens du test en premire
ligne) entre la colonne dorsale (CD) et la voie corticospinale latrale (CSL) pour chaque
mtrique ainsi que le coefficient de corrlation et la p-value entre la mtrique et la CSA des
deux ROIs ............................................................................................................................. 116
xvi
LISTE DES FIGURES
Figure 2.1 : Schma de la moelle pinire, gauche en coupe coronale (droite-gauche) et droite,
quatre coupes axiales correspondant respectivement aux niveaux cervical, thoracique,
lombaire et sacral. Source : Marieb and Hoehn (2013) ........................................................... 8
Figure 2.2 : Atlas des voies spinales de la matire blanche. Positions approximatives (A) au
niveau mi-cervical et (B) au niveau lombaire. Source : S. Standring (2008) ........................ 10
Figure 2.3 : Mylinisation dans le SNC. Les axones sont de longues fibres prolongeant les
neurones. Ils sont entours dune gaine de myline par segments secrts par les
oligodendrocytes. La jonction entre ces segments est appele nud de Ranvier. Il existe
galement certains axones non myliniss, notamment ceux de petit diamtre (< 2 m
environ). Source : Siegel and Sapru (2006) ........................................................................... 11
Figure 2.4 : Cytoarchitecture de la moelle pinire aux niveaux spinaux C1, C5 - C6 et T5. Seuls
les numros sur latlas schmatique des voies spinales (en bas droite) correspondent aux
noms des voies en lgende. Adapt de : Nieuwenhuys, Voogd, and van Huijzen (2008) ...... 19
Figure 2.5 : Phases d'excitation puis de relaxation de la magntisation rsultante. Inspir de :
tpeirmlvh2013.e-monsite.com/pages/i-principe-fonctionnement-de-l-irm/les-champs-
magnetiques.html.................................................................................................................... 24
Figure 2.6 : Configuration d'un appareil IRM classique et principe de fonctionnement des
gradients de slection (suivant la direction sur cet exemple). Source :
www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/magnetacademy/mri et www.imaios.com ............. 25
Figure 2.7 : Reprsentation schmatique d'une squence d'cho de gradient. R.F. : champ
magntique tournant radio-frquence 1 ; Gz, Gy, Gx : gradients de champ magntique dans
les directions , et respectivement ; FID : Free Induction Decay , attnuation du
signal cause de la relaxation T2*. Source : prsentation de Julien Cohen-Adad. ................ 26
Figure 2.8 : Reprsentation schmatique d'une squence d'cho de spins. Source : prsentation de
Julien Cohen-Adad. ................................................................................................................ 27
Figure 2.9 : Origine du contraste observ dans une exprience de MTR. Le spectre de rsonance
des protons lis aux macromolcules (en vert), plus large que celui des protons libres (en
file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018384file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018384file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018384file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018385file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018385file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018386file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018386file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018386file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018386file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018386file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018387file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018387file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018387file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018388file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018388file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018388file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018389file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018389file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018389file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018390file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018390file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018390file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018390file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018391file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018391file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018392file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018392
xvii
rouge), permet de pouvoir saturer slectivement les protons lis avant lacquisition du
signal. Par couplage entre les deux populations, les protons lis transfrent leur
magntisation aux protons libres, rduisant ainsi leur excitabilit (lignes rouges pointilles)
lorsquon image ensuite la frquence des protons libres. Limage rsultante montre donc
un signal plus faible que limage acquise sans pulse de saturation pralable, do le contraste
observ. Source : Mossahebi (2013) ...................................................................................... 44
Figure 2.10 : Reprsentation schmatique typique d'une squence pondre en diffusion. noter,
: intervalle de temps de diffusion, : dure des gradients encodant la diffusion. Adapt de
la prsentation de Julien Cohen-Adad. .................................................................................. 47
Figure 2.11 : Reprsentation schmatique d'un axone et du g-ratio. Source : Paus and Toro
(2009) ..................................................................................................................................... 55
Figure 4.1 : Overview of the WM atlas creation and registration to the MNI-Poly-AMU template.
A. The Grays Anatomy atlas was manually segmented, then the binary mask was registered
to the mid-C4 slice (reference slice) of the up-sampled MNI-Poly-AMU WM template using
SyN transformation. B. Propagation of the atlas to other slices of the template was done by
registering each slice to the reference slice using BSplineSyN transformations. The resulting
backward warping fields were then applied to the resulting atlas from step A, yielding one
registered high-resolution atlas per slice. The atlas was then down-sampled to the native
resolution of the MNI-Poly-AMU template (0.5 mm isotropic) by computing partial volume
values. ..................................................................................................................................... 68
Figure 4.2 : Comparison of SyN and BSplineSyN warping fields between two adjacent slices
(i.e., small deformation). While the SyN transformation produces local deformation without
impacting the rest of the image (null vector field represented in gray), the BSplineSyN
deformation enables more regularization and hence is more adapted for maintaining the
topology of the WM tracts. .................................................................................................... 70
Figure 4.3 : High-resolution atlas derived from the Grays Anatomy atlas. CSF and GM
compartments were added for estimating partial volume information during metric
extraction using Gaussian mixture models............................................................................. 76
Figure 4.4 : WM atlas overlaid on the MNI-Poly-AMU WM template. Left spinal lemniscus tract
(red), spinocerebellar tract (pink), lateral corticospinal tract (green), cuneatus (yellow) and
file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018392file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018392file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018392file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018392file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018392file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018392file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018393file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018393file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018393file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018394file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018394
xviii
fasciculus gracilis (blue) are shown from C1 (upper-left) to T1 (bottom-right) vertebral
levels. Null values have a transparent color-map (i.e., they are not visible). ......................... 76
Figure 4.5 : A: Box-and-whisker plots showing absolute error as a function of CSF value (noise
STD = 10%, tract STD = 10%). For example, a CSF value of 100% means that the CSF and
WM have the same value (hence, minimum partial volume effect between the WM and the
CSF). B: Absolute error as a function of noise STD (tract STD = 10%, CSF value = 50%).
Notice the perfect estimation of the ml method without noise. C: Absolute error as a
function of tract STD (noise STD = 10%, CSF value = 50%). CSF value, noise STD and
tract STD are expressed as a percentage of the true value in the WM (here, 40). A 2D slice
of the phantom is displayed to qualitatively appreciate the level of realism of each condition.
Box cars represent statistics across tracts (metric values are averaged across bootstraps).
Middle line: median, box bottom/top edge: 25%/75%, whisker bottom/top line: least/greatest
values excluding outliers, outliers: less/more than 3/2 times of lower/upper quartile. Note
that a few outliers are not shown (i.e. higher than the y-axis maximum) to improve the
clarity of the plot in the lower range (0-10%). ....................................................................... 78
Figure 4.6 : Effect of the tract size on the quality of estimation. The abscissa corresponds to the
fractional volume occupied by a specific tract within the WM. The fractional volume of a
given tract thus represents the number of voxels of this tract (weighted by their partial
volume information) divided by the number of voxel in the WM (weighted by their partial
volume information), this ratio being expressed as a percentage. The bin and wa methods are
not represented because they produce similar but inferior performance than the wath
method. ................................................................................................................................... 80
Figure 4.7 : Box-and-whisker plots showing the effect of prior parameters to the method map.
The parameters n and t were varied between 0% and 30%. When one parameter was
varied, the other parameter was fixed to =10%. .................................................................. 81
Figure 4.8 : Comparison between the atlas-based and the manual ROI methods in the left
corticospinal tract (l-cst), right corticospinal tract (r-cst) and dorsal column (dc). The plots
represent the mean and STD of the absolute error across bootstraps. .................................... 82
Figure 5.1 : tapes du processus de recalage de l'atlas sur les diffrentes mtriques. ................. 108
file:///C:/Users/Simon_2/Dropbox/simon_levy/master/master_thesis/memoire_v05.docx%23_Toc446018403
xix
Figure 6.1 : volution de la magntisation longitudinale en fonction de la frquence off-
rsonance du pulse de saturation pour les protons libres ( liquid pool ) et les protons lis
aux macromolcules ( macromolecular pool ) dans 4% dagar. Lamplitude du pulse de
saturation utilis est de 0.67 kHz. Source : R. Henkelman, Stanisz, and Graham (2001) ... 122
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xx
LISTE DES SIGLES ET ABRVIATIONS
AVF Fraction de Volume occup par les Axones (de langlais Axone Volume Fraction)
CD Champ de dformation
CSA Aire de section axiale (de langlais Cross-Sectional Area)
CSF Liquide Crbrospinal (de langlais CerebroSpinal Fluid)
DTI Imagerie par Tenseur de Diffusion (de langlais Diffusion Tensor Imaging)
DWI Images pondres en diffusion (de langlais Diffusion-Weighted Images)
EPI Imagerie Echo-Planaire (de langlais Echo-Planar Imaging)
GM Matire grise (de langlais Gray Matter)
IRM Imagerie par Rsonance Magntique
IRMq Imagerie par Rsonance Magntique quantitative
MVF Fraction de Volume occup par la Myline (de langlais Myelin Volume Fraction)
RF Radio-Frquence
ROI Rgion dintrt (de langlais Regions of Interest)
SCT Spinal Cord Toolbox
SNC Systme Nerveux Central
SNR Rapport signal/bruit (de langlais Signal-to-Noise Ratio)
WM Matire blanche (de langlais White Matter)
1
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Rationnel
La moelle pinire est une structure importante du systme nerveux central. Non seulement
linformation circulant entre le cerveau et le systme nerveux priphrique (nerfs des membres
infrieurs et suprieurs, du tronc, etc.) y transite, mais une certaine partie de cette information y
est galement traite (notamment lors des rflexes spinaux). La moelle pinire, protge dans la
colonne vertbrale, est compose de la matire grise, faite principalement de neurones, qui est
entoure de la matire blanche, constitue de longues fibres longitudinales entoure dune gaine
de myline ayant des proprits de conduction du signal nerveux particulires. La dgnrescence
de ces fibres de diamtre trs petit (de 0.1 10 m), appeles axones est un des premiers
signes de lapparition de nombreuses maladies neurologiques incurables ce jour. La plus
commune chez les jeunes adultes dans le monde occidental est la sclrose en plaques
(Noseworthy et al., 2000), maladie auto-immune sattaquant la myline et aux axones de la
matire blanche du systme nerveux central (Bjartmar & Trapp, 2001; Evangelou et al., 2000;
Lovas et al., 2000). Si ces premiers symptmes sont dtects assez tt, il existe des traitements
permettant de limiter la formation de nouvelles lsions de la matire blanche mais une fois que la
maladie a franchi un certain stade, ces traitements nont plus que trs peu deffets (Leary &
Thompson, 2003; Noseworthy et al., 2000). Le diagnostic ncessite une batterie de tests
physiologiques et psychomoteurs mais le diagnostic dfinitif est pos aprs un examen par
Imagerie par Rsonance Magntique (IRM) (Paty et al., 1988). En effet, lIRM sest avre
comme loutil non-invasif et non-ionisant par excellence pour dtecter ces lsions in vivo.
Toutefois, les techniques cliniques actuelles ne permettent de dtecter les lsions quune fois
quelles ont atteint un stade trop avanc. De plus, il ne sagit que dune apprciation visuelle qui
ne permet pas facilement dvaluer lvolution du tissu lors du suivi post-traitement, par exemple.
Cest dans ce contexte que sest dveloppe une nouvelle branche de lIRM : lIRM
quantitative (IRMq). Si lIRM classique peut tre compare un appareil photographique,
lIRMq, elle, sapparenterait plutt un instrument de mesure scientifique tel un thermomtre ou
un tensiomtre par exemple. Son but premier est de permettre une mesure quantitative de
proprits particulires du tissu in vivo afin de sen servir en tant quindices de suivi ou
2
biomarqueurs. Ainsi, des biomarqueurs du contenu en myline ou de la densit daxones
permettraient aux cliniciens, dune part, de diagnostiquer les maladies neurodgnratives plus
tt et de gagner du temps pour leur traitement, et dautre part, davoir un suivi plus prcis de leur
volution pendant le traitement. Par ailleurs, la relation entre ces caractristiques
microstructurales de la matire blanche (contenu en myline, densit daxones, cohrence dans
lalignement des fibres, etc.) et des caractristiques psycho-physiques telles que la sensibilit la
temprature, le temps de raction ou encore la tolrance la douleur est trs peu connue.
Une technique dIRMq trs populaire est lIRM de diffusion. En appliquant des pulses
radiofrquence et des gradients de champs magntique dune certaine manire, il est possible de
marquer les molcules deau en fonction de leur position et ainsi de quantifier leur diffusion dans
une certaine direction. En rptant lopration dans plusieurs directions de lespace, il est possible
de quantifier la diffusion de leau dans les trois dimensions selon un modle de diffusion
gaussienne appel tenseur de diffusion qui a donn son nom lImagerie par Tenseur de
Diffusion (DTI). Leau tant le composant principal du corps humain, son profil de diffusion au
sein du tissu est fortement influenc par sa microstructure. Ainsi, des indices drivs de ce
tenseur ont t proposs afin de caractriser les proprits du tissu : lanisotropie fractionnelle
(FA), la diffusivit moyenne (MD), axiale (AD) et radiale (RD) en sont les plus populaires. Par
exemple, une densit axonale leve, de par la prsence de nombreuses membranes favorisant la
diffusion le long de celles-ci et entravant la diffusion dans la direction orthogonale, rsultera en
une FA leve et une RD faible. Ayant dmontr une capacit importante dans la dtection et le
diagnostic daccidents vasculaires crbraux ischmiques, de la sclrose en plaques ou encore des
infections intracrniennes, ces mtriques dIRMq font progressivement leur entre en clinique.
Nanmoins, leur variation est lie la contribution de plusieurs proprits tissulaires sous-
jacentes, ce qui leur confre un manque de spcificit. Par exemple, une diminution de la FA peut
notamment tre due une perte axonale, une diminution du contenu en myline ou des fibres
sentrecroisant.
Dautres techniques et modles dIRMq ont donc t dvelopps dans les vingt dernires
annes dans le but dtre plus spcifiques aux proprits tissulaires individuelles (e.g. contenu en
myline, densit axonale, cohrence dans lalignement des fibres), trs majoritairement dans le
cerveau. Toutefois, malgr leur intrt vident pour le diagnostic et le suivi de maladies
neurologiques, ces techniques sont encore loin dtre adoptes en clinique pour plusieurs raisons.
3
La premire est le temps dacquisition que ces techniques requirent (gnralement suprieur
10 minutes), trop long pour la ralit clinique. Des solutions ont t proposes pour rduire le
temps d'acquisition mais elles furent dveloppes principalement pour le cerveau et peu values
pour une application dans la moelle. La deuxime raison est la mthode destimation manuelle
des mtriques dans les rgions dintrts qui demande du temps, un temps qui est compt en
clinique. De plus, cette mthode est sujette un biais li loprateur estimant la mesure ainsi
qu dautres sources derreurs importantes telles que leffet de volume partiel. cela enfin
sajoutent de nombreuses sources de biais et de discordances entre les tudes lies au systme
IRM (fabricant, force de champ, systme de rception, squence de pulses, etc.) et la
physiologie (proximit de la moelle avec les poumons, respiration, mouvements de la moelle et
du liquide crbrospinal, etc.) qui nuisent fortement la reproductibilit de ces mtriques selon
les centres, proprit fondamentale pour lapplication en clinique. Par ailleurs, la combinaison de
mtriques issues de diffrents procds dIRMq a montr un intrt additionnel dans lvaluation
de lanatomie et de la microstructure du tissu par rapport lutilisation de ces mtriques
individuellement (J. Cohen-Adad et al., 2011; Iannucci, Rovaris, Giacomotti, Comi, & Filippi,
2001; Mezer et al., 2013; Paus, 2010; Stikov et al., 2011). Or, peu de groupes dans le monde ont
propos un protocole dIRMq qui soit applicable en clinique et qui soit complet, cest--dire qui
inclut acquisition des donnes multiparamtriques, prtraitement et estimation dans chaque voie
spinale de diverses mtriques spcifiques la microstructure de la matire blanche, avec une
prise en compte des multiples biais cits plus haut (e.g., dfinition manuelle des rgions dintrt,
effet de volume partiel, inhomognits de champ).
1.2 Objectifs
1.2.1 Objectifs gnraux
Lide principale de ce mmoire a t de rapprocher lIRMq de lapplication dans la routine
clinique pour lvaluation de lintgrit de la moelle pinire.
Lobjectif premier est donc de proposer un protocole dIRMq complet, depuis lacquisition
des donnes jusqu leur traitement rsultant en une estimation de diverses mtriques spcifiques
aux proprits microstructurales de la matire blanche. Lestimation de mtrique doit tre non
4
biaise et ce protocole doit tre applicable en clinique. Il sagit, entre autres, de trouver un
compromis entre le temps dacquisition, lautomaticit du protocole et ses performances.
Lobjectif second de ce mmoire est dappliquer ce protocole une cohorte de sujets de
diffrents ges et dvaluer sa sensibilit aux altrations de la microstructure de la moelle
pinire en fonction de lge des sujets.
1.2.2 Objectifs spcifiques
Les objectifs spcifiques sont les suivants :
1. Dfinir les mtriques IRMq pertinentes pour la caractrisation de lanatomie et de la
microstructure des diffrentes units anatomiques & fonctionnelles de la moelle pinire ;
2. Mettre en place un protocole dacquisition de ces mtriques dans la moelle pinire
humaine, optimal en terme de temps dacquisition et de qualit dimage
3. Dvelopper un protocole de traitement dimages permettant :
o Lobtention de carte de ces mtriques,
o Lestimation de la valeur de ces mtriques dans les diffrentes units anatomiques
& fonctionnelles de la moelle,
o Une rduction (voire une suppression) dun maximum des sources de biais
identifies,
o Un traitement des donnes le plus automatis possible ;
4. Appliquer ce protocole une cohorte relativement large de sujets sains de diffrents ges
et valuer sa sensibilit lge des sujets.
1.3 Hypothses scientifiques
H1 : [Lie aux objectifs spcifiques 1, 2 & 3] Grce aux techniques dacquisition rapides
dveloppes dans la littrature, il est possible de runir en un seul protocole clinique lacquisition
de donnes permettant, aprs un traitement adapt, lobtention de mtriques spcifiques des
proprits :
5
- anatomiques de la moelle pinire : aire de section axiale et volume des diffrentes units
anatomiques (moelle, matire blanche, matire grise, voies spinales),
- microstructurales de la moelle pinire : contenu en myline, densit de fibres,
dispersion/alignement des fibres, g-ratio (ratio du diamtre de laxone (sans sa gaine de
myline) sur celui de la fibre (incluant la gaine de myline)).
Originalit : Peu de groupes dans le monde ont propos un protocole dacquisition dIRMq dans
la moelle pinire permettant lobtention de multiples mtriques anatomiques et microstructurales
et respectant les contraintes cliniques. De plus, la combinaison de ces diffrentes mtriques
permettra une caractrisation plus prcise et plus fiable du tissu que les techniques actuelles.
Acceptabilit : H1 sera accepte si le protocole propos respecte les contraintes cliniques au
niveau de lacquisition des donnes : fonctionnement sur un systme IRM clinique, temps
dacquisition total infrieur 35 minutes. De plus, les donnes acquises devront permettre une
prise en compte des diverses biais connus dans la production des rsultats lors du traitement post-
acquisition (cf. objectif spcifique #3). Enfin, les valeurs estimes pour chaque mtrique devront
tre en accord avec les gold-standards rapports dans la littrature.
H2 : Lapproche automatique pour la caractrisation anatomique et microstructurale des
diffrentes units de la moelle pinire est possible et moins biaise que lapproche manuelle.
Originalit : Lapproche usuelle (manuelle) est sujette au biais li loprateur dessinant les
rgions dintrt ainsi qu leffet de volume partiel. De plus, aucune mthode automatique (ou
mme quasi-automatique) na encore jamais t propose pour estimer les mtriques
individuellement dans les diffrentes voies spinales en prenant en compte ces biais, ainsi que
ceux dus au mouvement de la moelle. Une telle mthode est en outre requise pour lapplicabilit
en clinique.
Acceptabilit : H2 sera accepte si une mthode de traitement au moins quasi-automatique (i.e.,
la correction manuelle lgre est acceptable en cas de dviation vidente des outils automatiques)
pour le calcul des mtriques et leur estimation est dveloppe. Cette mthode doit prendre en
compte tous les biais connus : mouvements de la moelle, effet de volume partiel, inhomognits
des profils de rception et transmission (le cas chant). Enfin, la prcision et lexactitude de la
mthode destimation automatique doit tre compare par rapport lapproche manuelle ; pour
6
que H2 soit accepte, la mthode automatique doit mener une prcision et une exactitude
similaires si ce nest meilleures.
H3 : [Lie aux objectifs spcifiques 1 & 4] Le protocole clinique mis en place est applicable avec
des sujets de tout ge (de 20 70 ans) et sensible aux diffrences anatomiques et
microstructurales de la moelle pinire avec lge.
Originalit : ce jour, aucune tude na tudi lvolution avec lge de mtriques IRMq autres
que les indices DTI et les mesures anatomiques (aire de section axiale, volume) dans la moelle
pinire. Pourtant dautres mtriques ont t proposes pour caractriser la microstructure et ont
montr des diffrences avec lge dans le cerveau.
Acceptabilit : H3 sera accepte si des personnes de tout ge peuvent suivre le protocole mis en
place sans difficult majeure et si des diffrences significatives entre jeunes adultes et adultes
gs sont mises en vidence pour les mtriques obtenues.
7
CHAPITRE 2 REVUE CRITIQUE DE LA LITTRATURE
2.1 La moelle pinire
2.1.1 Anatomie
Le systme nerveux est compos du systme nerveux central (SNC) et du systme nerveux
priphrique (SNP). Le SNC est compos du cerveau et de la moelle pinire tandis que le SNP
est constitu des nerfs crniens et spinaux. Le cerveau communique avec le SNP grce aux nerfs
crniens et la moelle pinire par les nerfs spinaux. Ces nerfs sont constitus de fibres affrentes
qui conduisent linformation depuis les rcepteurs sensoriels jusquau SNC ainsi que de fibres
effrentes qui conduisent linformation envoye par le SNC aux organes priphriques moteurs.
La moelle pinire se situe lintrieur de la colonne vertbrale et stend du coccyx au cerveau
o elle est relie au bulbe rachidien (ou medulla oblongata), partie infrieure du tronc crbral
dans la fosse postrieur du crne (S. Standring). Sa forme est une sorte de long tube vertical dont
la coupe axiale peut prendre, suivant les niveaux vertbraux, une forme tantt circulaire (niveau
lombaire ou thoracique) tantt elliptique (niveau cervical ; cf. Figure 2.1). On distingue 31
segments par lesquels entrent et sortent les paires de nerfs spinaux de manire symtrique droite-
gauche : C1 C8 pour les segments cervicaux, T1 T12 pour les segments thoraciques, L1 L5
pour les segments lombaires et S1 S6 pour les segments sacraux. Lors du dveloppement
embryonnaire, chaque vertbre correspond un niveau spinal mais dans la mesure o la colonne
vertbrale crot plus rapidement que la moelle, lge adulte les niveaux vertbraux ne
correspondent plus aux segments spinaux en gnral, le niveau spinal se trouve
approximativement la mme hauteur que le niveau vertbral rostral (e.g., segment spinal C5 au
mme niveau que le corps vertbral C4) (Paxinos & Mai, 2004) mais avec une certaine variabilit
interindividuelle. En effet, selon ltude de Cadotte et al. (2015), lerreur quadratique moyenne
entre un segment spinal et lextrmit suprieure du corps vertbral rostral varie de 0.86 6.42
mm sur un chantillon de 20 sujets, avec une moyenne de 3.39 mm ; de plus, en moyenne 44%
du segment spinal se trouve au mme niveau que le corps vertbral rostral. Enfin, lintrieur de
la moelle pinire se trouve la matire grise, en forme de H ou de papillon, qui est entoure par la
matire blanche. Enfin, lespace entre los de la colonne vertbrale et la moelle est rempli par du
liquide crbrospinal (CSF) principalement compos deau.
8
2.1.2 La matire grise
La matire grise est faite dun mlange complexe de cellules neuronales, de leurs
connexions, de cellules gliales (cellules qui assurent lenvironnement tissulaire des neurones) et
de vaisseaux sanguins. Elle se divise en quatre groupes cellulaires, les cornes dorsales et
Figure 2.1 : Schma de la moelle pinire, gauche en coupe coronale (droite-gauche) et droite,
quatre coupes axiales correspondant respectivement aux niveaux cervical, thoracique, lombaire et
sacral. Source : Marieb and Hoehn (2013)
9
ventrales, droites et gauches, lis au centre par les commissures grises dorsales et ventrales qui
entourent le canal central rempli de CSF. Les cornes dorsales sont constitues des terminaisons
neuronales des fibres affrentes primaires qui entrent dans la moelle par les racines nerveuses
dorsales tandis que les cornes ventrales sont composes des neurones effrents dont les fibres
sortent de la moelle par les racines ventrales (voir Figure 2.1). Les connexions des neurones
affrents et effrents via les interneurones des commissures centrales sont responsables de
lexistence de rflexes, dits rflexes spinaux, ne ncessitant pas le passage de linformation par le
cerveau. Ces rflexes regroupent les rflexes dextension (contraction dun muscle suite son
extension involontaire), les rflexes gamma (augmentation de la sensibilit aux rflexes
dextension) et les rflexes de flexion (raction de retrait suite une stimulation douloureuse).
2.1.3 La matire blanche
La matire blanche est constitue des longues fibres, appeles axones, qui parcourent la
moelle pinire suivant laxe infrieure-suprieure et qui conduisent linformation provenant de
neurones ou de rcepteurs dautres neurones ou vers des effecteurs tels que les muscles ou les
glandes. Ces fibres sont entoures dune gaine de myline plus ou moins paisse, donnant une
couleur ple au tissu (do le nom de matire blanche) et scrte par des cellules gliales
appeles oligodendrocytes. On y trouve galement des vaisseaux sanguins et un peu de LCS. Le
diamtre de ces axones peut varier de 1 10 m chez lhomme. Ils sont regroups de manire
topographique en faisceaux ayant principalement la mme origine, le mme parcours et la mme
destination formant des voies spinales symtriques droite-gauche. Grays Anatomy (S. Standring,
2008), ouvrage de rfrence pour lanatomie humaine, propose un atlas de ces voies spinales
(Figure 2.2). On distingue trois types de voies spinales ayant des fonctions spcifiques. Les voies
spinales ascendantes sont faites de fibres affrentes primaires qui entrent dans la moelle par les
racines dorsales ou de fibres affrentes provenant de neurones de la matire grise de la moelle et
conduisant linformation des niveaux suprieurs. Les voies descendantes sont constitues de
fibres provenant majoritairement du cortex ou du tronc crbral. Enfin, les voies propriospinales
sont composes la fois de fibres ascendantes et descendantes mais provenant de neurones
entirement situs dans la matire grise de la moelle et se rendant galement des neurones de la
moelle, assurant ainsi la communication entre les segments. Ces voies spinales sont elles-mmes
regroupes selon trois classes appeles funicules: dorsale, ventrale et latrale. Le funicule dorsal
10
(ou colonne dorsale) contient deux voies spinales ascendantes, le fasciculus gracilis et le
fasciculus cuneatus. En gnral, les zones latrales des funicules correspondent de longues
voies spinales ascendantes et descendantes tandis que les zones adjacentes la matire grise
correspondent de courtes voies spinales faisant le lien entre les segments. Le Tableau 2.1 liste
les fonctions des voies spinales ascendantes et descendantes les plus importantes ainsi que les
parties du corps quelles concernent et le nombre et la position des dcussations quelles
effectuent avant de projeter (nombre de croisement des fibres avec laxe antro-postrieur avant
la connexion avec le SNP).
Figure 2.2 : Atlas des voies spinales de la matire blanche. Positions approximatives (A) au
niveau mi-cervical et (B) au niveau lombaire. Source : S. Standring (2008)
11
Du point de vue micro-
structurel, ces axones sont
gnralement entours dune gaine
de myline plus ou moins paisse et
peuvent avoir un diamtre variant de
1 10 m. Il existe galement une
importante proportion daxones non
myliniss, notamment ceux de petit
diamtre (< 2 m). Le calibre de ces
axones, leur degr de mylinisation,
leur densit ainsi que leur dispersion
en terme dalignement sont des
caractristiques qui varient entre les
diffrentes voies spinales (S.
Standring, 2008). On peut dfinir ici
une caractristique supplmentaire
quon appelle le g-ratio ; le g-ratio
est le rapport du diamtre de la fibre
sans la gaine de myline sur le
diamtre avec la gaine de myline
(Donaldson & Hoke, 1905). Dun point de vue thorique selon les principes de biolectricit, il a
t montr que le g-ratio optimal en terme de vitesse de conduction de linflux nerveux est de
0.62 (Moore, Joyner, Brill, Waxman, & Najar-Joa, 1978) et cest en effet ce qui est observ dans
la nature (Leenen, Meek, Posthuma, & Nieuwenhuys, 1985).
Certaines de ces caractristiques sont affectes par certaines pathologies
neurodgnratives telles que la sclrose en plaques (Bjartmar & Trapp, 2001; Lovas et al., 2000)
ou la dgnrescence wallrienne (Raff, Whitmore, & Finn, 2002), ainsi que par dautres facteurs
tels que lge ou le sexe (voir paragraphe 2.1.4). tant donn que la morphologie de la moelle
varie rostro-caudalement, ces caractristiques varient galement selon les niveaux spinaux
(Leenen et al., 1985). Il est donc intressant de connatre ces caractristiques pour un tre humain
en sant afin dtre capable de dtecter les dgnrescences de ces biomarqueurs. Cependant, peu
Figure 2.3 : Mylinisation dans le SNC. Les axones sont
de longues fibres prolongeant les neurones. Ils sont
entours dune gaine de myline par segments secrts par
les oligodendrocytes. La jonction entre ces segments est
appele nud de Ranvier. Il existe galement certains
axones non myliniss, notamment ceux de petit diamtre
(< 2 m environ). Source : Siegel and Sapru (2006)
12
de littrature concernant les caractristiques microstructurales spcifiques aux voies spinales
existe, ce pourquoi une partie de notre laboratoire de recherche travaille sur ce sujet. Le Tableau
2.2 regroupe les caractristiques microstructurales spcifiquement chaque voie spinale qui sont
ressorties de la littrature. Ces donnes concernent essentiellement la moelle cervicale. En effet,
cest ce niveau que se concentre notre tude car, ce niveau, la grande majorit des fibres
nerveuses du SNP ont rejoint la moelle et de plus, les difficults pour imager sont moindres de
par la proximit aux antennes dIRM, la petitesse du cou par rapport au tronc et la moindre
prsence dartefacts lis la respiration (contrairement limagerie thoracique).
La premire chose qui ressort de la littrature est que trs peu dtudes histologiques des
voies spinales ont t menes, notamment au niveau cervical. Une des principales raisons est
quil est trs difficile didentifier les diffrentes voies spinales. La mthode traditionnelle est
dinjecter des traceurs dans la voie spinale cible afin quils sy propagent en colorant les fibres
appartenant cette voie. Cependant, la distance de pntration reste relativement courte et le
temps de propagation relativement long suivant le traceur utilis (Sparks, Lue, Martin, & Rogers,
2000). Il est donc difficile didentifier prcisment la voie entirement tout en prparant le tissu
pour lobservation. Par ailleurs, cette mthode ne peut tre ralise quen ex-vivo. Cependant, des
atlas ont t raliss partir de ces expriences ex-vivo, et servent les chercheurs en imagerie
pour identifier les rgions dintrt. Cependant, dans la pratique, les fibres ne sont pas
parfaitement regroupes par zones bien dlimites et peuvent se mlanger ou se superposer entre
voies. De plus, la forme et la position de chaque voie pouvant varier suivant les individus, toute
variabilit anatomique interindividuelle est perdue (Watson, Paxinos, & Kayalioglu, 2009).
Enfin, il est difficile didentifier visuellement avec prcision la localisation dune voie spinale sur
des images IRM sans passer par un recalage dimage complexe.
Le deuxime point que lon constate est que la grande majorit des tudes se sont intresses
au faisceau pyramidal et en particulier la voie corticospinale. En effet, comme le montre le
Tableau 2.1, cette voie est implique dans le contrle moteur des membres et est endommage
dans plusieurs maladies neuro-dgnrative telles que la sclrose latrale amyotrophique et dans
plusieurs maladies cardiovasculaires. De plus, il sagit dun faisceau large (grande superficie
axiale) et compacte donc facilement identifiable. Lautre faisceau ayant suscit lintrt de
quelques tudes est la colonne dorsale et notamment le fasciculus gracilis impliqu dans la
13
proprioception et la sensibilit au toucher et dont les lsions peuvent avoir des consquences
importantes.
Enfin, il est difficile de tirer des valeurs standard absolues des tudes recenses car les
rsultats varient beaucoup. Cependant, une tendance ressort de cette revue de littrature. Il
semblerait que le faisceau pyramidal compte une grande majorit daxones de petits diamtres
(
14
Tableau 2.1 : Fonctions des voies spinales majeures. "?" = Aucun article trouv ce sujet (en gnral, les voies spinales concerne
comportent peu de fibres et occupent une faible superficie axiale).
Nom Fonctions Partie du corps
concerne
Niveau de la(des)
dcussation(s)
Rfrences
Voies spinales ascendantes
Fasciculus gracilis mouvement, coordination, proprioception,
touch discriminatif, sensibilit vibratoire
membres infrieurs - medulla Siegel and Sapru (2006)
Fasciculus cuneatus mouvement, coordination, proprioception,
touch discriminatif, sensibilit vibratoire
membres suprieurs - medulla Siegel and Sapru (2006)
Spinocerebellar dorsal donne l'information au cervelet sur le statut des
muscles (longueur, rapidit de mouvement,
tension) - proprioception inconsciente
membres infrieurs,
tendons de Golgi
aucune dcussation Siegel and Sapru (2006)
Spinocerebellar
ventral
donne l'information au cervelet sur les
mouvements et l'ajustement de la posture -
proprioception inconsciente
membres infrieurs,
tendons de Golgi
- pdoncule crbelleux
suprieur
- via commissure ventrale
blanche environ L3
Siegel and Sapru (2006)
Voie lemniscale
(faisceau
spinothalamique et
spinorticulaire)
douleur (perception de stimuli nocifs, rponse
motionnelle et autonome une telle
stimulation, augmentation de l'attention),
sensibilit la temprature, sensibilit tactile
discriminative, sensibilit vibratoire, sensibilit
proprioceptive consciente
membres infrieurs,
suprieurs, tronc
(organisation
somatotopique)
- via commissure ventrale
blanche environ S2, L3,
L2, T4, C8
Siegel and Sapru
(2006) ; Snell (2010)
Fasciculus
longitudinal mdial
contrle la position de la tte en rponse aux
stimulations par le labyrinthe de l'appareil
vestibulaire
tte, cou projette ipsilatralement Siegel and Sapru (2006)
Spino-olivary tract conduit l'information provenant d'organes
cutans et proprioceptifs (muscles, tendons) au
cervelet
organes cutans et
proprioceptifs
- medulla
- projette ipsilatralement
(2me dcussation)
Snell (2010)
15
Voies spinales descendantes
Faisceau corticospinal
latral
contrle des mouvements rapides et volontaires
fins des parties distales des extrmits
membres infrieurs et
suprieurs (organisation
somatotopique)
- medulla Siegel and Sapru (2006)
Faisceau corticospinal
ventral
contrle des mouvements fins des parties
distales des extrmits
avant-bras, main, muscles
intercostaux et muscles du
dos (organisation
somatotopique)
- diffrents segments Siegel and Sapru (2006)
Faisceau rubrospinal stimule les neurones moteurs flchisseurs et
inhibe les neurones moteurs extenseurs
membres infrieurs et
suprieurs (organisation
somatotopique)
- cerveau moyen Siegel and Sapru (2006)
Faisceau tectospinal aide diriger les mouvements de la tte en
rponse des stimuli visuels et auditifs
tte - cerveau moyen Siegel and Sapru (2006)
Faisceau
vestibulospinal latral
contrle des muscles maintenant une posture
verticale et en quilibre
dos, intercostaux, tronc,
membres
aucune dcussation Siegel and Sapru (2006)
Faisceau
vestibulospinal mdial
ajuster la position de la tte en rponse aux
changements de posture (exemple : garder la
tte stable en marchant)
tte certaines fibres projettent
ipsilatralement et
d'autres
contralatralement
Siegel and Sapru (2006)
Faisceau
reticulospinal latral
contrle des mouvements de la tte et du cou cervicales et muscles
axiaux
- projette bilatralement
tous les niveaux de la
moelle
Siegel and Sapru (2006)
; Peterson, Maunz, Pitts,
and Mackel (1975)
S. Standring (2008)
Faisceau
reticulospinal mdial
posture, pilotage de la tte, mouvements
rudimentaires et strotyps des membres
tte, tronc, membres - projette ipsilatralement
uniquement
Siegel and Sapru (2006)
; Peterson et al. (1975) ;
S. Standring (2008)
Faisceau
reticulospinal ventral
module l'activit des impusions douloureuses
qui remontent par le systme spinothalamique,
perception de la douleur
tte, tronc, membre ? ? Siegel and Sapru (2006)
Faisceau
reticulospinal
ventrolatral
fonctions autonomes, contrle par
l'hypothalamus des systmes sympathiques et
parasympathiques
organes viscraux ? Siegel and Sapru
(2006) ; Snell (2010)
16
Tableau 2.2 : Caractristiques microstructurales des diffrentes voies spinales de la matire blanche. * : Estimations indirectes
approximatives partir des graphes ou des donnes moyennes disponibles dans les articles.
Nom Niveau
spinaux
Diamtre axonal sans la gaine de
myline (m)
Densit daxones (nb/mm2) paisseur
de la gaine
de myline
(m)
G-
ratio
Espce Rfrence
myliniss non-myliniss myliniss non-myliniss
Voies spinales descendantes
Faisceau
pyramidal
(corticospinal
latral et
ventral)
C2 0.89 (moyenne
diamtres min
et max)
0.215 (moyenne
diamtres min et
max)
483 300 396 200 0.20 0.65 rat Leenen et al.
(1985)
Tous
partir du
niveau
mdullaire
Moyenne=0.91,
mdiane=0.68,
distribution=
0.04 9.48
Moyenne=0.4,
mdiane=0.36,
distribution=
0.13 1.17
(seulement 1%
des axones)
157 060*
(594 000
sur 3.782
mm2)
~ 1571* (5940
sur 3.782 mm2)
0.21* 0.69* macaque Firmin et al.
(2014)
C2 0.7 (moyenne
latral et
ventral CST),
environ 82.5%
des axones
9.45 couches
(moyenne
latral et
ventral CST)
~ 0.15* m
~
0.7*
rat Brsamle and
Schwab (2000)
C5-C6 Distribution =
0.5 3
0.2 rat Joosten and
Gribnau (1988)
17
Faisceau
pyramidal
C3 0.70 0.26 ~ 705 357
(79 000 +/-
9000 dans
0.112 mm2)
~ 500 000 (56
00 dans 0.112
mm2)
rat Gorgels, De
Kort, Van
Aanholt, and
Nieuwenhuys
(1989)
Voie
corticospinale
C3-C7 < 1 pour la
majorit,
quelques-uns
entre 2 et 2.5
0.1 0.2 ~ 978 571 Rongeurs
(rats et
cochons
dInde)
Brown (1971)
Voie
corticospinale
latrale
C6 29 530 humaine Terao, Sobue,
Hashizume,
Shimada, and
Mitsuma (1994)
Voies spinales ascendantes
Colonne
dorsale
(fasciculus
gracilis et
cuneatus)
C3-C7 5 10 pour la
majorit,
quelques-uns
entre 1 et 2
Majorit Trs peu Rongeurs
(rats et
cochons
dInde)
Brown (1971)
Fasciculus
gracilis
C3 Moyenne=3.07
1, distribution=
1.0 7.0
Moyenne=2
5 267,
distribution
= 19 647
35 773
humaine Ohnishi,
O'Brien,
Okazaki, and
Dyck (1976)
18
2.1.4 Effet de lge sur la microstructure de la matire blanche
2.1.4.1 tudes histologiques
Tout dabord, dans le cerveau, des rductions de volume associes lge furent
observes (Coffey et al., 1992; Hatazawa, Ito, Yamaura, & Matsuzawa, 1982; Takeda &
Matsuzawa, 1985). Tang, Nyengaard, Pakkenberg, and Gundersen (1997) mesurrent une
diminution (non-significative) de lordre de 15% du volume de matire blanche entre leur groupe
de 5 sujets gs (de 62 90 ans, moyenne : 74.0 +/- 11.0) et leur groupe de 5 sujets jeunes (de 18
57 ans, moyenne : 37.8 +/- 14.8). Ils mesurrent galement une diminution (non-significative)
de lordre de 17% du volume de fibres mylinises. Cependant, une diminution significative cette
fois de la longueur totale des fibres mylinises (de 27%) ainsi quune augmentation significative
(12%) du diamtre moyen des fibres mylinises furent mises en vidence. Selon les auteurs,
latrophie de la matire blanche chez les sujets gs est en grande partie due une perte
significative des fibres mylinises de petit diamtre et trs peu des fibres de gros diamtre.
En ce qui concerne la moelle pinire animale, Gorgels et al. (1989) ont tudi le faisceau
pyramidal chez 45 rats depuis la naissance jusqu 3 mois suivant la naissance. Ils reportrent
tout dabord que le nombre daxones augmente rapidement dans les premiers jours suivant la
naissance jusqu atteindre un maximum au 4me jour puis il dcrot jusqu la fin du 3me mois.
Ils reportrent galement que le processus de mylinisation commence environ 10 jours aprs la
naissance et que le nombre daxones myliniss augmente rapidement jusquau 3me mois.
Concernant le diamtre, dans les deux premires semaines suivant la naissance, le diamtre des
fibres non mylinises augmente. Par la suite, le nombre daxones non myliniss de petit
diamtre diminue et des axones myliniss de gros diamtre apparaissent. Aprs la 2me semaine
et ce jusqu la fin du 3me mois, bien que les rsultats suggrent que les axones de petit diamtre
deviennent myliniss, le diamtre moyen des axones myliniss ne varie pas significativement
mais la distribution des diamtres slargit. Le processus dcrit ici correspond plutt au processus
de maturation postnatal quau processus de vieillissement.
19
C1 C5 C6
T5 Atlas Figure 2.4 : Cytoarchitecture de la moelle pinire aux niveaux spinaux C1, C5 - C6 et T5. Seuls les numros sur latlas schmatique
des voies spinales (en bas droite) correspondent aux noms des voies en lgende. Adapt de : Nieuwenhuys, Voogd, and van Huijzen
20
Dans ltude du vieillissement, Ohnishi et al. (1976) ont mis en vidence une corrlation
ngative de lge avec le nombre total de fibres (rduction de lordre de 30% entre sujets jeunes
et gs) ainsi quavec le nombre de fibres mylinises de gros diamtre (> 3 m) (rduction de
lordre de 30%) chez lhumain au niveau C3 du fasciculus gracilis, mais ne trouvrent pas de
corrlation avec le nombre de fibres mylinises de petit diamtre. Ils ne trouvrent pas de
corrlation au niveau T5. Lchantillon tudi comptait 22 individus de 5 84 ans (moyenne :
45.4 +/- 25.3). Nakanishi et al. (2004) ont tudi leffet de lge sur la voie corticospinale latrale
aux niveaux C6 et L4 chez 16 personnes de 41 88 ans (moyenne : 70.9 +/- 3.4) par histologie. Il
en est ressorti une corrlation ngative (r = -0.0776, p < 0.02 au niveau C6) de lge avec laire
occupe par les axones dans cette voie suggrant une rduction de lordre de 30% entre sujets
jeunes et gs. Les auteurs suggrent que ce rsultat serait une explication de la diminution de la
vitesse de conduction des axones avec lge. De mme, Terao et al. (1994) ont tudi leffet de
lge sur les fibres mylinises de la voie corticospinale latrale chez 20 sujets humains de 19
90 ans (moyenne : 60.1 +/- 18.4) aux segments spinaux C6, T7 et L4. Selon les auteurs, il est
facilement apprciable visuellement que le nombre de fibres mylinises et particulirement de
petit diamtre (
21
diamtre. Une rduction de lordre de 30 40% du nombre de fibres mylinises, essentiellement
de petit diamtre, fut observe entre les jeunes adultes et les personnes ges. Ces observations
ont t confirmes par des tudes sur les nerfs humains comme le nerf laryng suprieur
(Mortelliti, Malmgren, & Gacek, 1990) ou rcurrent (Tiago, Pontes, & do Brasil, 2007).
2.1.4.2 tudes IRM
Pour la dfinition de chaque mtrique IRM cite dans ce paragraphe (FA, MD, RD, AD,
MTR) et pour plus de dtails concernant la caractrisation du tissu quapporte chacune delle,
veuillez vous reporter la section 2.3.
Dans le cerveau, la grande majorit des tudes saccordent dire quen gnral
lanisotropie fractionnelle (FA) dans la matire blanche du cerveau augmente rapidement durant
la priode nonatale, lenfance et ladolescence ; lors de la transition avec la priode adulte, la FA
continue daugmenter mais un rythme bien plus lent jusqu atteindre un plateau vers le milieu
de la priode adulte, puis la FA commence son dclin jusqu la snescence ; cependant, ces
changements ne se font pas la mme vitesse suivant les diffrentes rgions du cerveau (Yap et
al., 2013). Les tudes longitudinales de Barrick, Charlton, Clark, and Markus (2010), Likitjaroen
et al. (2012) et Stefan J Teipel et al. (2009) montrent que des changements structuraux de la
matire blanche sont dtectables grce aux indices dimagerie par tenseur de diffusion FA,
diffusivit moyenne (MD) et diffusivit radiale (RD) sur de courtes priodes (environ 1 2
ans). En ce qui concerne le ratio de transfert de magntisation (MTR), ltude de Ge et al. (2002)
chez 52 sujets gs de 20 86 ans (moyenne : 46.1 +/- 19.2) montre une diminution significative
avec lge dans la matire blanche et dans le cortex qui commence seulement aux alentours de la
quarantaine. En effet, lenfance, une augmentation du MTR, probablement lie la phase de
mylinisation du cerveau, est observe par Engelbrecht, Rassek, Preiss, Wald, and Mdder
(1998) dans une tude portant sur 70 enfants gs de 1 semaine 80 mois.
Dans la moelle pinire, une tude de K. Wang et al. (2014) sur un chantillon de 36
sujets asiatiques gs de 20 77 ans (moyenne : 51.3 ans) mit en vidence une corrlation
ngative assez importante de lge avec la FA dans tous les faisceaux (ventral, latral, dorsal)
ainsi quavec la MD dans les faisceaux latral et dorsal, et une corrlation positive avec la MD
dans le faisceau ventral. De mme, ltude de Chan et al. (2015) chez 65 sujets asiatiques gs de
21 61 ans (moyenne : 41.1 ans) montre une diminution significative de la FA avec lge dans
22
toute la moelle (de C2 C7), dans les colonnes ventrale, dorsale mais pas latrales, une
augmentation de la MD dans la colonne dorsale et la matire grise et une diminution de la
diffusivit axiale (AD) dans la colonne ventrale. Cependant, les coefficients de corrlation
reports sont quasi-nuls. Une tude supplmentaire, mais 1.5T cette fois-ci, reportrent une
corrlation significative de la FA avec lge, avec un coefficient de corrlation assez important (r
= 0,70, p
23
2.2 LIRM quantitative
2.2.1 Le principe de lIRM
2.2.1.1 Principes physiques
Certains atomes possdent un noyau ayant un nombre impair de nuclons (protons +
neutrons) qui, en tournant sur eux-mmes, leur confrent un moment angulaire de spin ou spin
non nul =
2 o est la constante de Planck et est appel loprateur de spin. Toute charge
en mouvement gnrant un champ magntique, le spin de ces noyaux se comporte comme un
diple magntique ayant un moment magntique = o est le ratio gyromagntique, une
constante bien connue pour chaque atome. En labsence de champ magntique, les moments
magntiques des spins sont orients alatoirement de sorte que la magntisation rsultante =
est nulle. En prsence dun champ magntique 0 = 0, le moment magntique de
chaque spin saligne dans la direction du champ et tourne une certaine frquence (dpendant de
la force du champ) autour de cette direction appele frquence de Larmor =
20 (mouvement
similaire celui dune toupie autour de son axe); est alors oriente selon . Limagerie par
rsonance magntique (IRM) se base sur la frquence de Larmor des spins de ces noyaux pour
imager in vivo. Latome dhydrogne (ou proton) tant latome le plus abondant dans le corps
humain puisque quil est un composant de la molcule deau, lIRM classique utilise la frquence
de Larmor du proton (127.74 MHz 3T) et le phnomne de rsonance (transfert dnergie entre
deux systmes ayant la mme frquence) pour imager les tissus in vivo.
En appliquant un champ magntique radiofrquence (RF) 1 tournant la frquence de
Larmor des protons dans le plan orthogonal la direction dalignement des spins (plan (; ; )),
il est possible faire rentrer les spins en rsonance et de les faire basculer vers ce plan transversal
(Figure 2.5). Une fois que lapplication de champ magntique radiofrquence (RF) est
interrompue, les spins reviennent peu peu leur tat initial, cest le phnomne de relaxation.
La composante longitudinale de la magntisation rsultante (dans la direction ) revient son
tat initial avec un temps caractristique T1 tandis que la composante transversale revient
son tat initial (i.e. 0) avec un temps caractristique T2*. Les phnomnes de relaxation
24
longitudinale et transverse sont deux phnomnes indpendants. La relaxation longitudinale
correspond au retour des spins au niveau de basse nergie (parallle au champ principal 0) du
fait des interactions des spins avec le rseau tissulaire auquel ils sont lis (dites spins-rseau). La
relaxation transverse correspond (i) la relaxation 2, lie au dphasage des spins d des
interactions entre les spins (dites spins-spins) qui crent des htrognits de champ local et
donc des vitesses de prcession de spin de plus en plus htrognes, combine (ii) la relaxation
2, lie au dphasage caus par des inhomognits de champ (comme notamment celles induites
par des diffrences de susceptibilit magntique entre les tissus ou mme des inhomognits
dues des imperfections de laimant). On peut crire : 1
2 =
1
2+
1
2 o
1
2 = est la
contribution du taux de relaxation attribuable aux inhomognits de champ () au sein du
Figure 2.5 : Phases d'excitation puis de relaxation de la magntisation rsultante. Inspir de :
tpeirmlvh2013.e-monsite.com/pages/i-principe-fonctionnement-de-l-irm/les-champs-
magnetiques.html
Antenne
rceptrice
Relaxation transversale
(Temps caractristique T2)
Rel
axat
ion l
ongit
udin
ale
(Tem
ps
cara
ctr
isti
que
T1)
PHASE DEXCITATION PHASE DE RELAXATION
Plan (; ; )
Antenne
rceptrice
B1
Am
pli
tud
e d
u s
ign
al r
eu
Temps
25
voxel. noter que la relaxation 2 inclut la contribution des relaxations 2 et 2
. Comme
prsent sur la Figure 2.5, le signal IRM est capt par des antennes rceptrices qui sont
constitues de bobines dinduction. En effet, lorsquun diple magntique tourne dans le plan
transversal une bobine, un courant lectrique est gnr dans cette bobine (loi de Lenz-Faraday)
donnant lieu un signal sinusodal qui est mesurable. Ces bobines sont places de manire
parallle 0 et ne peuvent capter que la variation de la composante transverse . Les
antennes peuvent tre rceptrices et/ou mettrices. Pour mettre, cest--dire appliquer un pulse
de champ RF 1 au sujet, il sagit exactement du principe inverse : un courant alternatif est
appliqu dans la bobine une certaine frquence, ce qui (loi de Biot et Savart) gnre un champ
magntique transverse 1 la fr
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