Principes de l’Imagerie par Résonance

Magnetique fonctionelle (IRMf)

COAlexandre COMTEPôle d'imagerie -Département Recherche en Imagerie FonctionnelleHôpital Jean Minjoz - CHU Besançon

16 Avril 2009

IntroductionIntroductionComment mesurer l’activité cérébrale ?Comment mesurer l activité cérébrale ?

L’activité cérébrale peut-être mesurée par de nombreux paramètres :- métaboliques : CMRATP CMRglc CMRO2 vitesse de neurotransmission VNT- métaboliques : CMRATP, CMRglc, CMRO2, vitesse de neurotransmission VNT,- électriques : LFP, potentiels d’action (fréq, intensité),- biomécaniques : perfusion CBF, volume sanguin CBV, [O2]sang.

Jusqu’au début des années 90, les techniques d’imagerie fonctionnelle cérébrale étaient :- l’EEG et la MEG : très bonne résolution temporelle mais mauvaise localisation du signal,p g ,- la TEP (15O comme marqueur de CBF) :

→ résolution spatiale meilleure (~4 mm),→ mauvaise résolution temporelle (nécessité de moyenner les sujets),( y j )

La localisation de l’activité cérébrale en TEP repose sur le couplage CBF/activité cérébrale(Roy et al., On the regulation of the blood supply of the brain. J. Physiol. 11:85–108, 1890 )

L’IRM est utilisée depuis le début des années 90. La localisation de l’activité cérébralerepose sur le contraste BOLD (Blood Oxygenation Level-Dependent), contraste associé

èt bi é i CBF CBV t t ti d’Oaux paramètres biomécaniques CBF, CBV et extraction d’O2.

Le contraste BOLDLe contraste BOLD

« Visualisation » de la fonction cérébrale par IRMIRM

Technique BOLDB Bl dB Blood O OxygenationO OxygenationL Level D Dependant

1. Le contraste BOLD1- Rappels sur les principes de l’ IRM

2- Propriétés magnétique de l’hémoglobine2- Propriétés magnétique de l hémoglobine

3- Observation de l’effet BOLD

2. Imagerie1- Les principaux paramètres

2- Le protocole

3. Paradigme IRMf3. Paradigme IRMf1- Les différents designs

2- Paradigme en bloc

4 L’analyse des données4. L analyse des données

1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM

Bo

1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM

Bo

1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM

RF

Bo

I l i 90°Impulsion 90°

1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM

Bo

1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM

T F I

Plan de Fourier Image

1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM

Filtre passe-haut

Image initiale Plan de Fourier

Filtre passe-haut Image filtrée

1.1 Rappels sur les principes de l’ IRM

Filtre passe-bas

Image initiale Plan de Fourier

Filtre passe-bas Image filtrée

1.2 Propriétés magnétiques de l’hémoglobine

Groupe hèmeGroupe hème

L’hémoglobine Hb• L’hémoglobine contient 4 groupes polycycliques ferreux : les hèmes L hémoglobine contient 4 groupes polycycliques ferreux : les hèmes.• L’O2 se fixe à chaque hème par liaison de coordination avec l’atome de Fe.

P iété éti d l’HbPropriétés magnétiques de l’Hb• O2 lié au Fe (oxyHb) → tous les électrons du Fe sont appariés → pas deperturbation du champ magnétique environnant (hème diamagnétique)• absence d’O2 (désoxyHb) → électrons non appariés → champ magnétiquesupplémentaire généré par ces électrons (hème paramagnétique)

1.3 Observation de l’effet BOLD

Première description chez le rongeur (1990) (Ogawa et al, PNAS 87:9868, 1990)

Variation du signal autour des vaisseaux avec l’oxygenation sanguinesang faiblement oxygéné sang fortement oxygénég yg g yg

BB0 B0

1.3 Observation de l’effet BOLD

Repos ActivitéRepos Activité

OxygèneNeurone Capillaire

HémoglobineNeurone Capillaire

1.3 Observation de l’effet BOLD

Repos ActivitéRepos Activité

F t t ti d l iForte augmentation : du volume sanguindu débit sanguinde l’apport en Ode l’apport en O2

Faible augmentation de la consommation en O2

Baisse du rapportDésoxy-hémoglobine

Oxy-hémoglobineOxy-hémoglobine

1.3 Observation de l’effet BOLD

Désoxyhémoglobine est paramagnétique: elle réduit lesignal IRM T2* du parenchymeg p y

Si activation cérébrale : [O2] signal IRMSi activation cérébrale : [O2], signal IRM

EFFET BOLD = variation locale de susceptibilitéEFFET BOLD = variation locale de susceptibilité magnétique par variation du rapport Désoxy-Hb/Oxy-Hb (→ DésoxyHb agent de contraste intrinsèque)DésoxyHb=agent de contraste intrinsèque)

i ti d l’ lit d d i l IRMvariation de l’amplitude du signal IRM

2 1 Les principaux paramètres2. L’imagerie2.1 Les principaux paramètres

- Orientation des coupes (sagittale, coronale, parallèle à CA-CP…)

- taille du volume d’acquisition- taille dans le plan (x,y)- nombre de coupes résolution spatialenombre de coupes - épaisseur des coupes (z)

- temps d’acquisition d’un volume (TR)- nombre de volumes acquis(= session) la résolution temporelle

- synchronisation stimuli / acquisition

- type de séquence IRM (EPI, anatomique haute résolution …)

2 1 Les principaux paramètres2. L’imagerie2.1 Les principaux paramètres

Les compromis :

Taille du volume => durée d’acquisitionqRésolution spatiale => signal /bruit & volume partielRésolution temporelle => durée d’acquisition

Type séquence, l’orientation ont des effets sur les distorsions …

2 2 Le protocole2. L’imagerie2.2 Le protocole

1- Il FAUT penser à la façon d’analyser les résultats AVANT de faire l’expérience…APRES il est so ent trop tard!APRES il est souvent trop tard!

2- La mesure comporte essentiellement du signal qui n’a pas d’intérêt.L’effet que nous mesurons représente souvent moins de 1% du signal et entre 1.5% et 8% de variation de signal entre repos et activité.Pour voir cet effet, il faut beaucoup de répétitions, p p

3- Le passage dans l’IRM n’est pas une partie de plaisirIl faut que le sujet reste le moins de temps possible dedans:Il faut que le sujet reste le moins de temps possible dedans:Éthique + artéfacts dus à la modification de la vigilance

2 2 Le protocole2. L’imagerie2.2 Le protocole

La base de tout ce que l’on peut dire repose sur la différence entre deux conditions

L’aire de Broca est activée pendant la lecture.

NON : L’aire de Broca est plus active pendant qu’on lit que pendant que :- on est au repos

d d d i- on regarde des dessins- on regarde des signes qui ne sont pas des lettres,-…..

2. L’imagerie2 2 Le protocole

L h d i l

2.2 Le protocole

Le changement de signal durant l’activité neuronale est d 1 5 à 5% à 1 5T difféde 1.5 à 5% à 1.5T, différence invisible à l’œil nu. Répétition de l’acquisition unRépétition de l acquisition un grand nombre de fois pour augmenter le rapportaugmenter le rapport signal/bruit

2. L’imagerie2 2 Le protocole

L t l d’ ti ti

2.2 Le protocole

Le protocole d’activation :• Comprend toujours une alternance de phase de• Comprend toujours une alternance de phase de

repos (R) et d’activation (A) = Paradigme d’activationd’activation

• Dépend de la fonction cérébrale étudiée• Le but est de capter la réponse hémodynamique :

On doit mettre en perspective la durée de l’événement et celle de la réponse hémodynamique

3. Paradigme IRMf1 L diffé t d i1- Les différents designs

= trial of one type

Block

= null trial (nothing happens)

= trial of one type (e.g., face image)= trial of another type

(e.g., place image)

Design

Slow ERSlow ERDesign

RapidRapidCounterbalanced

ER Design

R idRapidJittered ER

Design

MixedDesign

3. Paradigme IRMf2 P di bl2- Paradigme en blocs

4. L’analyse des données

TACHE REPOS

- =

4. L’analyse des données

Le principe de l’analyse : chercher dans notre sériep p y

ce qui régresse avec la réponse prévueq g p p