Einsteinfondateur del'imagerie médicale?

L'effet photoélectriqueLa relativité restreinteLa diffusion

1905

L'effet photoélectrique

● Cellule photoélectrique

I

Nb e-I

0

I

Nb e-I

0

L'effet photoélectrique

● Explication de Einstein– Lumière (ondes électromagnétiques)

Photon E=h

– Interaction: phénomène élémentaire

un photon – un électron lié

K

L

M

h

½ mv2= h -EK

L'effet photoélectrique

Importance relative des effets

photoélectriqueCompton

création de paires

Pb

H2O

La radiographie

L'angiographie

Le scanner-X

http://medicalimages.allrefer.com/large/ct-scan-of-thebrain.jpg

Principes du scanner-X

● Accumuler les acquisitions pour distinguer les faibles différences de densité électronique

● Changer les angles de vue pour avoir une information sur la profondeur

● Reconstruire un objet à partir de ses projections 2D.

Reconstruction des images

http://www.fmrib.ox.ac.uk/~peterj/lectures/hbm_1/img018.GIF

Rétroprojection

Les différentes méthodes●Analytique●Rétroprojection filtrée●2DFT

http://mitpress.mit.edu/e-journals/Videre/001/articles/Pennec/PennecVidereDemo/CT.slice.large.gif

http://www.bocaradiology.com/cases/neuro/perfusion/CT%20perfusion%20axial%20RMCA.jpghttp://www.med.harvard.edu/JPNM/TF00_01/Oct3/CT.gifhttp://www.wfubmc.edu/interneuro/angiosarcct2a.jpg

Scintigraphie

http://info.med.yale.edu/intmed/cardio/imaging/techniques/scintigraphy/graphics/scintigraphic_imaging.gif

Principes de la scintigraphie

● Un isotope de choix

99mTc: période 6h 140 keV (123I,201Tl...)

● Des molécules spécifiques d'une fonction– MDP métabolisme osseux– ECD perfusion cérébrale ...

● Un espoir: l'immuno-radio-thérapie anticorps spécifique d'une pathologie marqué

par un isotope émetteur

Scintigraphie

La relativité La relativité restreinte permet d'expliquer la transformation

masse - énergie.● Certains isotopes se désintègrent en

émettant un positron (anti-particule de l'électron)

11C de période 20 min 0.96 MeV13N de période 10 min 1.19 MeV15O de période 2 min 1.72 MeV18F de période 110 min 0.635 MeV

La relativité

e+

e-

511 keV511 keV

Les deux photons sont détectés par effet photoélectriquedans une caméra à coïncidence ou à temps de vol.

Avantage: ne nécessite plus de collimateur pour définirla direction du rayonnement

Tomographie par Emission de Positrons

● Théoriquement toute molécule biologique peut être marquée par un 11C– Pb de période– Pb de radiochimie

● Un marqueur de choix

18F Deoxy Glucose marqueur du métabolisme énergétique

Tomographie par Emission de Positrons

http://www.cineactive.com/portfolio/nobel/images/hi_res/pet_2_Thumbz_hi_res.jpg

http://nuclearmedicine.stanford.edu/research/images/PET_CT.jpg

Tomographie par Emission de Positrons

http://www.pet.rh.dk/site/eng/Images/hodgkincorfoer.jpg

Tomographie par Emission de Positrons

http://www.drugabuse.gov/Newsroom/03/PETSmoking.jpg

La relativité (suite)

E= c ( p2 + m0

2 c2 )1/2

E = m0c2 + p2/(2m

0) – p4/(8m

03c2) +.....

m=m0

(1-v2/c2)-1/2

La relativité restreinte indique que lorsqu'uneparticule chargée se déplaçant à la vitesse v=p/m

0 dans un champ électrostatique E

il apparaît dans le référentiel de la particuleun champ magnétique:

B' = -1/c2 v EB' = K p r

La relativité

Application en mécanique quantique

La relativité restreinte fait apparaître la nécessitéd' un moment cinétique intrinsèque de la particuleP R = -S qui vaut -1/2 h pour l'électron, le protonet le neutron.

D'où la description d'une particule comme un point matériel défini par ses trois coordonnéesspatiales (x,y,z), ses coordonnées de spin en fait S2 et S

z , sa masse au repos (m

0) et sa charge .

La résonance magnétique nucléaire

Onde électromagnétique radiofréquence produite par une bobine

alimentée par courant alternatif 0 = B0

E+

0 = B0

E-

spin H = ½ d'où 2 états énergétiques tels que E- - E

+= h0

Noyaux d'hydrogène des molécules d'eau placés dans un champ magnétique B

0

ASPECT COLLECTIF

B0B0

RESULTANTE M0

B0AIMANTATION Nucléaire

A l'équilibre M0 somme des

moments magnétiques nucléaires est dirigé suivant B

0

B0

B1

90°

B0

SIGNAL DE PRECESSION LIBRE

0

M0

M0

Gradients de champ magnétiquedans les 3 directions de l'espace

Localisation spatiale du signal RMNImagerie RMN

Gradient de lecture

appliqué pendant l'acquisition du signal RMNdisperse les fréquences en fonction de x.

OA B

B0

B0 -

B0 +

x

B0B0 -

B0 +

y

Gradient de Phase

Appliqué perpendiculairementà la direction de lecture eten dehors de la période d'acquisitiondisperse les phases en fonction de y.

Gradient de sélection de tranche

Impulsion sélective:

pendant un gradient suivant z

TF

zz0

i

i

i

Excitation RF

Gs

Gr

Gp

180°90°

Enregistre RF

Séquence d'imagerie (spin écho)

Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire

Le sujet est placé dans unchamp magnétique intense

La tête du sujet est placée dans une antenne qui émet

et reçoit des ondes radio

Méningiome

Angiographie RMN

http://www.oitamed.ac.jp/hospital/inform/gazo/mri/mra.jpg

http://www.zensharen.or.jp/khbb/mra.jpg

IRM fonctionnelle• Définition

image de l'activité cérébrale obtenue par RMN

• Principe:Augmentation du signal RMN lors de la réaction d'hypervascularisation dans les zones cérébrales actives.(Blood Oxygen Level Dependent = BOLD)

IM avec support IM avec support tactilo-tactilo-kinesthèsiquekinesthèsique

VOYANTS AVEUGLES

AIRES COMMUNES

Frontale et Aires somatosensorielles

Aire pré-motrice Pariétale et Aires visuelles associatives

La diffusion

● Théorie classique

Loi de Fick ; solution: c= f(x2/4Dt)● Marche au hasard

Probabilité de trouver une molécule qui fait des sauts de longueur en un temps ; solution: P = f(x2/2t

d'où l'équation de Einstein-Smoluchowski

D = oux2D t

Importance de la diffusion en médecine nucléaire

Pour rejoindre sa cible le traceur est d'abord véhiculé par le sang mais du capillaire à la cellule le transfert se fait par diffusion.

C 'est phénomène lent:

diffusion du glucose dans l'eau

D= 510-10 m2s-1

100 nm en 1 s ; 1 cm en 1 jour

La RMN est une méthode de choix pour mesurer la diffusion

● Principe– Écho élimine les hétérogénéités de

l'aimant– Les molécules d'eau qui diffusent entre le

90° et l'acquisition ne participent plus au signal RMN

– Pour augmenter la sensibilité à la diffusion, on applique un gradient intense.

Excitation RF

Gs

Gr

Gp

180°90°

Enregistre RF

Gdiffusion

G

Séquence d'imagerie de diffusion

Matière Blanche (MB)Schéma de la structure de la myélineDiffusion de l’eau préférentiellement lelong des microtubules

IMAGERIE DU TENSEUR DE DIFFUSION

NeurofilamentMicrotubule

Membrane Axonale

Myeline

Axone

//

Formation de la gaine de myeline

MYELINISATION DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL

EmbryogénèseProliférationMigration neuronaleDifférenciation AxonogénèseDendritogénèseSynaptogénèseMyelinisation

naissance

Les modèles animaux des maladiesde la myéline

1- Les mutations spontanées des gènes de l’oligodendrocyte

2- Encéphalomyélite allergique expérimentale (EAE)

3- Les infections virales: (TMEV, MHV)

4- Les substances chimiques

5- Les approches transgéniques:

Introduction d’un gène à toxicité inductible HSV1-TTK Expression ciblée du HSV1-TTK dans les oligodendrocytes

- Explorer in vivo les modifications structurales de la myéline dans les cerveaux de souris MBP-TTK

- Etudier les processus de dysmyelinisation et remyelinisation

Objectif

90

Amplitude gradient: G= 140mT/mmDurée:=5800 µs=20 ms

FOV: 25 mm ln(M)=ln(M0) - 2 G2 2 (- /3)D

TR: 1500 msTE: 35 msCoupe Sagittale: 1 mm

2h 30min

METHODOLOGIE

METHODOLOGIE

Acquisition d’images = mesure paramètres tenseur de diffusion 1 référence (IMAGE SANS GRADIENT)

+ 6 directions du gradient de diffusion

Z Y

ZY

X

YX ZX

= (2+ 3) /2 :diffusion radiale (transverse sur les fibres)

1 0 0 0 2 00 0 3

e1

e2

e3

Tenseur de diffusionDxx Dyx Dzx Dxy Dyy DzyDxz Dyz Dzz

D =Diagonalisation

//= 1 > 2, 3: diffusion axiale (parallèle)

1~ 2 ~ 3 diffusion isotrope

1>> 2 ~ 3

1 > 2 > 3

diffusion anisotrope

Gauche-Droit (1)

Dorso-Ventral(2)

Antéro-Posterieur (3)

Témoin

Traitée

0

2

x10

-3m

m2/s

Gauche-Droit (1)

Dorso-Ventral (2)

Antéro-Posterieurr (3)

Résultats

Témoin Traitée<D>

FA

<D>

FA

0

1

0

1

x10

-3m

m2/s

Résultats

15 Jours

témoin

Tractographie

CC de souris

traitéeCC de souris

Conclusion

● Einstein peut clairement être considéré comme l'un des fondateurs de la compréhension de l'interaction des ondes électromagnétiques avec la matière donc de l'imagerie médicale par les ondes électromagnétiques.