Image magnétique - 3 - De l'IRM au "patient numérique"

L'Imagerie par résonance magnétique (IRM)

 A partir du moment où la RMN 2D a commencé à fournir une véritable cartographie de molécules complexes avec la mise en oeuvre des différentes séquences décrites précédemment, il était évident que les spécialistes de l'imagerie médicale allaient entrer en piste.

 

En effet de quoi sont principalement constitués nos tissus ?

D'eau !

L'eau c'est deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène (H2O). Pourquoi donc ne pas tenter de faire de la RMN du proton sur un corps humain, essayer ensuite de différencier les signaux obtenus pour les transformer en image par les moyens informatiques de traitement de données.

 

La RMN devient alors IRM,  sigle qui a l'avantage d'escamoter le N de nucléaire qui pourrait faire peur aux patients... alors que nous l'avons vu, l'énergie mise en jeu dans une expérience de RMN est dérisoire, surtout si on la compare à un cliché de RX.

 

Peter Mansfield et Paul Lauterbur ( prix Nobel de physiologie ou médecine en 2003) ont été les premiers à produire des images à partir de la RMN.


MAIS COMMENT FABRIQUER UNE IMAGE ?


La réalisation d'une IRM c'est en gros une expérience de RMN telle que je l'ai décrite précédemment.

 

L'échantillon (un corps humain) est introduit dans un tube de 60 cm de diamètre environ, siège d'un puissant champ magnétique constant produit par un aimant supraconducteur pouvant atteindre 10 Teslas (bientôt plus). 

Tous les spins se mettent alors à tourner comme des toupies !

 

Un champ oscillant est créé pendant un temps très bref par des bobines de gradient de champ (réparties autour du tube) dans les trois directions de l'espace pour provoquer l'excitation des noyaux.

 

Après l'arrêt de cette impulsion,  les noyaux reviennent à leur position initiale, c'est ce que l'on appelle la relaxation. L'expérience est répétée, une antenne réceptrice enregistre les signaux de précession des atomes qui résonnent dans la zone explorée.

 

Un puissant ordinateur va traiter les signaux obtenus (c'est à dire une très grande quantité de données !) et reconstituer une image en trois dimensions.

 

En résumant d'une façon grossière, on peut dire qu'au cours d'une IRM, on mesure l'aimantation résultante en chaque point des tissus analysés. Comme cette aimantation est proportionnelle à la quantité de noyaux d'hydrogène présents, et que les tissus se distinguent par leur contenu en eau, la carte des aimantations résultantes reproduit l'anatomie de ces tissus. 

 

L'obtention d'une image nécessite donc 5 étapes :

 

1) Exciter la matière (les protons)

2) Encoder la position avec un gradient de champ

3) Recueillir un signal d’écho avec une antenne

4) Décoder la position avec la transformée de Fourier

5) Dessiner la zone correspondant à cette position avec une teinte ± claire selon la quantité de signal


Joseph Fourier est le grand magicien de la RMN et de l'IRM !

 

Ce génial mathématicien français a démontré que toute fonction peut-être décomposée en une suite de fonctions cycliques et explicité les formules qui permettent d'en retrouver les fréquences.

 

Ce qu’on appelle l’analyse de Fourier d’un signal, ou d’une image, ou de toute autre variable, consiste donc à calculer les fréquences qui composent ce signal (ou cette image), ainsi que les amplitudes associées qui ne sont en fait que leurs facteurs de pondération.

 

En IRM, la fonction représente l'état du champ électromagnétique (le signal) et sa transformée de Fourier est son image.

 

Lorsque le système récupère le signal il remplit donc un espace mathématique qui est appelé espace de Fourrier ou espace des K.

Cet espace K va contenir toutes les informations nécessaires à la formation de l'image.

On passe ensuite de l'espace K à l'image par transformée de Fourier 

 

C'est ce que résument les 3 diapos ci-dessous (image cardiaque) :

L'IRM fait des petits !

L’imagerie par résonance magnétique est donc capable d’étudier des tissus dits mous, tels que le cerveau, la moelle épinière, les muscles...  et de donner une imagerie morphologique avec un grand contraste tissulaire. 

Elle donne une structure anatomique (IRM anatomique, IRMa), mais permet aussi de suivre une fonction (IRMf) ou d'étudier le métabolisme (spectroscopie IRM, SRM). 

 

L’IRMa , la plus utilisée, offre la possibilité de visualiser l’anatomie d’organes profonds et opaques. Elle permet en particulier de visualiser le cerveau en coupes montrant les détails des structures cérébrales (matière grise, matière blanche) avec une précision millimétrique. 

 

L’IRMf dite fonctionnelle est plus récente.  Grâce à la vitesse d’acquisition et de traitement de données on peut révéler l’activité des différentes structures qui composent le cerveau.

 

L'IRM fonctionnelle ne détecte pas l'activation absolue des régions du cerveau. Elle met en évidence  des différences d'activations selon différentes conditions opératoires. 

 

Pendant l'acquisition des images, le patient est stimulé, on lui demande d'accomplir des tâches, on suscite des émotions... on alterne périodes de stimulation et période de repos.

 

La combinaison des ces différentes conditions est appelée un paradigme d'IRM fonctionnelle. Les stimuli sont en général présentés grâce à un système audio-visuel, mais peuvent utiliser des systèmes plus complexes (odorat, goût,etc.).

 

La détection des aires cérébrales sollicitées durant l'expérience est basée sur l'effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent).

 

Dans les zones activées, une petite augmentation de la consommation d'oxygène est sur-compensée par une large augmentation de flux sanguin. Il en résulte une diminution du rapport déoxy-/oxy-hémoglobine. La déoxyhémoglobine est paramagnétique, quand sa concentration diminue le signal augmente sur l'image IRMf. Le signal dans les zones activées varie en fonction du paradigme.

 

En résumé, lors de l'IRMf on enregistre le « signal BOLD » en temps réel sur un patient et l'on suit en direct l’oxygénation du cerveau lors d’exercices cognitifs, qui mettent ainsi en évidence les zones qui sont actives.

 

Cette technique a permis de très grandes avancés pour la recherche en psychologie cognitive et comportementale, ainsi qu’en psychiatrie, dans les dix dernières années.

 

L’IRMf a détrôné la TEP (Tomographie par Emission de Positrons) jusqu’alors utilisée, technique invasive, générant des radiations, et dont la résolution  est moindre.

Tractographie dans des images IRM de diffusion
Tractographie dans des images IRM de diffusion

L’IRMd de diffusion (IRMd). C’est un outil puissant pour mesurer les micro-mouvements des molécules d’eau et établir ainsi l’architecture fine du tissu neuronal et ses variations. Elle donne une mesure plus directe et bien plus fine que les méthodes d’imagerie classiquement utilisées. Elle  permet d’observer la connectivité cérébrale in vivo de manière non invasive.

 

La tractographie est sa dernière évolution, elle offre la possibilité d’étudier in vivo la substance blanche du cerveau.


 

Enfin, la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (SRM) complète cette palette de technologies, en fournissant une méthode non invasive d’étude de la biochimie et du métabolisme du système nerveux central. Elle permet la quantification précise de plusieurs dizaines de molécules.

 

La mesure de ces flux métaboliques cérébraux par spectroscopie par SRM, connait un développement considérable. Par exemple, la SRM du phosphore 31 permet la mesure directe du flux cérébral de synthèse d'ATP.

 

                                

L'imagerie computationnelle : c'est déjà demain !

Bénie soit l'informatique... et les informaticiens !

Logo du laboratoire INRIA Asclepios
Logo du laboratoire INRIA Asclepios

Nous venons de voir que l'informatique occupe le point central de la RMN et de l'IRM. Les progrès prodigieux de l'imagerie médicale sont directement liés aux capacités de traitement de quantités faramineuses de données.

 

La plupart des images médicales sont très volumineuses. L’image anatomique d’un organe, voire du corps entier peut contenir entre quelques millions et plusieurs centaines de millions de voxels (extension volumique du pixel).

 

La quantité d’information augmente rapidement lorsque plusieurs images sont acquises sur un même patient pour exploiter la complémentarité des différentes modalités, ou pour suivre une évolution temporelle ; il s’agit alors d’images 4-D avec trois  dimensions spatiales et une dimension temporelle.

 

La question qui est posée au clinicien, au chirurgien, à la médecine en général, est de comment exploiter au mieux toute la masse des informations recueillies.

 

Une nouvelle discipline est donc en train d'émerger : l'imagerie computationnelle, dont Nicholas Ayache, directeur de recherche à l'Inria (Institut national de recherche en informatique et automatique) à Sophia Antipolis, mais aussi directeur scientifique de l'Institut hospitalo-universitaire (IHU) de Strasbourg, depuis sa création en janvier 2012, est le plus éminent représentant.

Divergence du flux de déformation dans l’évolution de la maladie d’Alzheimer: la couleur représente les régions changeant de volume
Divergence du flux de déformation dans l’évolution de la maladie d’Alzheimer: la couleur représente les régions changeant de volume

L’informatique et les sciences numériques vont en effet jouer un rôle crucial pour exploiter de façon rigoureuse et optimale cette surabondance d’information.

 

Elles sont essentielles pour l’analyse des images reconstruites dont le but est d’extraire de façon objective toute l’information cliniquement pertinente au médecin.

 

Elles vont permettre de construire un modèle numérique du patient pour la simulation  : simulation de l’évolution d’une pathologie ou de l’effet d’une thérapie par exemple, ou simulation de gestes médicaux ou chirurgicaux pour l’entraînement du praticien.

En souvenir du Docteur Robert Ollé

2016, U.K. : lancement de la plus vaste étude en imagerie biomédicale

La société à but non lucratif Biobank (UK) va lancer la plus vaste étude d'analyse en imagerie médicale jamais entreprise.

 

 Un référentiel de données biologiques concernant les organes de 100 000 personnes suivies par imagerie de résonance magnétique (et autres techniques standard), pendant les 6 à 8 prochaines années, va être établi.

 

Il sera corrélé  avec d'autres paramètres comme la santé et le style de vie.

 

Cela devrait permettre aux  chercheurs d'améliorer la compréhension, le diagnostic et le pronostic de maladies comme le cancer, la démence, l'arthrite...