Bosc David, Le Mehaute Thibaud 31/01/11 Physique, IRM, Pr St James Poly pas encore disponible sur le réseau plus scintigraphie Imagerie par résonance magnétique : principes et applications : Rappels et réponses aux questions : -Echo de spin : Lors d’une impulsion à 180°, le système qui s’était « ouvert » bascule dans la direction opposée. Les aimantations continuent à tourner dans le même sens. Ainsi, les aimantations qui tournaient le plus vite et avaient donc parcouru le plus de chemin par rapport au point de départ se retrouve à cette distance du point d’arrivée, alors que les aimantations les plus lentes, qui avaient parcouru moins de chemin se retrouvent après avoir basculé beaucoup plus proche du point d’arrivée Les aimantations arrivent alors en même temps au point d’équilibre, elles sont donc en phase. On peut faire une analogie avec des coureurs sur une piste. Au top départ, les coureurs s’élancent. Au bout du temps t, les coureurs les plus rapides sont loins devant, les plus lents trainent derrière. Si à ce moment on leur demande de tourner à 180° , les coureurs les plus lents se retrouvent plus proche de la ligne de départ que les coureurs rapides. Au final, tous les coureurs arrivent en même temps, ils sont en quelques sorte « en phase ». Rephasage grâce à une impulsion de 180°, le synchronisme reviens à TE. -Sur une piste on a deux aimantations dont une plus rapide que l’autre, à TE/2 elles font demi-tour, à TE il y a refocalisation (signal maximum) des aimantations. -déroulement d'une séquence d'écho de spin: seul TR a une influence, on observe une décroissance de l'aimantation mais en réalité on a une décroissance rapide car il y a un déphasage, on n'a donc pas accès à T2. Il faut alors ré-augmenter l'aimantation par une impulsion =180° à TE/2. Pour simplifier TR agit sur T1 et TE permet de retrouver T2. -Pour différencier les images d'IRM: En pondération T1 : les tissus ayant un temps de relaxation T1 long apparaissent brillant, le LCR possède un T1 court donc apparaît sombre. En pondération T2 : inversement le LCR apparaît clair. III- L’IRM : Principes de la localisation spatiale : ( suite ) 1 B- Imagerie: Procédé de localisation spatial? Comment change t'on les fréquences le long du patient? -Idée 1: introduire un champs magnétique superposé à B0 Gradient G (de champ magnétique) = B/x variation linéaire de quelques dizaines de mT/m (faible ordre de grandeur par rapport à B0) On introduit une relation linéaire entre la position et le champs magnétique -Idée 2: lorsque le champ magnétique varie selon la direction x, la fréquence de résonance (F=B0/2) des protons varie suivant leur localisation : par exemple d’un point X1 à un point X 2. -Idée 3: Nous avons trois directions spatiales (x, y, z), il n'est pas difficile d'inventer trois gradients et envisager une IRM tridimensionnelle Gz = Bzz Gx = Bz/x Gy = Bz/y On peut créer ces champs magnétiques pour regarder l’objet, on obtient des champs magnétiques variables dans le temps et l’espace. Les trois gradients sont produits par trois jeux de bobines parcourues par des courants relativement importants donc les bobinages sont souvent refroidis à l’eau. Cela reste un système statique le démarquant du scanner X qui possède des pièces mobiles. 1- Pratique : Codage par la fréquence : D’un côté on met une belle escalope de veau dans l’aimant ! Puis on met B0 et une impulsion radio-fréquence en route, de l’autre on a le même dispositif mais avec en plus un champ de gradient magnétique variable le long de l’escalope : B0 + Gy Après impulsion et mise en route du gradient le signal décroît rapidement en fonction du temps tendis que sans le gradient il décroît lentement. Suite à la transformation de Fourier on obtient deux profils ( projections ) de l’objet suivant la perpendiculaire au gradient : sans gradient : la courbe monte très haut, à la forme d’un gros pic. L’aire sous la courbe (intégrale) est grande. avec le gradient : la courbe a une forme de parabole, c’est la projection de l’escalope sur l’axe y, de part et d’autre pas de protons donc pas de signal donc pas d’escalope. 2- Signal en absence ou en présence d’un gradient : On prend des éléments de volume (bouts d’escalope) suivant l’axe Y : 2 Sans le gradient : les aimantations de chaque élément de volume ont la même direction, le signal étant leur somme vectorielle est élevé. En revanche avec le gradient magnétique les différentes aimantations n’ont pas la même direction, elles tournent dans tous les sens, la somme vectorielle donc le signal est plus faible et sa fréquence diminue rapidement. 3- Codage par la fréquence : champ de vue Tobs = temps d’observation du signal. On prélève des échantillons du signal ( typiquement des puissance de 2 : 100,200... ), on obtient N points du signal séparés les un des autres par t. Le champs de vue est égal au produit du nombre de prélèvements avec la résolution numérique. FOV (m) = N x résolution Quand on disperse les fréquences par un gradient on a : F x FOV x t = 1 m F x résolution numérique de l’image x Tobs = 1 m z] x [m] x [s] = 1 [m] F/m = gradient Exemple : Quel gradient de lecture Gy appliquer pour obtenir un champ de vue de 20cm avec t = 0.047 ms ? 4- Codage par la phase : Répétition de l’expérience N fois. La présentation est sous forme d’une matrice et non plus d’une colonne, donc le recueil d’information est fait suivant deux directions 2D on utilise une transformation de Fourier 2D et on utilise Ny et Nz points. Pour une matrice en 3D il faut Nx, Ny et Nz points donc il faut plus de temps car plus d’informations à récolter. IV- Parc IRM et coût : Environ 550 appareils en France et 30 000 dans le monde Coût d’un appareil à l’achat : 1 à 2 million d’euros 3 Antenne externe : 10 à 40 mille euros Antenne à usage unique : 150 euros Produit de contraste : 100 euros Examen ( technique + médical ) : 300 euros Une des applications récentes : l’imagerie fonctionnelle, on joue sur des temps de relaxation différents ( Hb et oxyHb ) Stimulation ( comme regarder un damier vert et blanc ) activation neuronale augmente dans les parties cérébrales stimulées débit sanguin augmente oxyHb augmente par rapport à Hb + paramagnétique T2* augmente signal augmente de 1 à 10% Conclusion : RMN des tissus biologiques : contraste très important, méthode inoffensive. Le champ d’application continu de s’agrandir : flux sanguin, diffusion, eau/graisse, température... IRM : localisation spatiale de l’information très efficace et souple ( gradients de champ magnétique ), c’est une méthode originale par rapport aux autres techniques d’imagerie. Donc deux aspects : localisation spatiale d’une part et contraste d’autre part. 4 Imagerie scintigraphique par caméra TEP I ) intérêt des émetteurs de positons Il s’agit : - soit de nucléides existants dans la plupart des molécules biologiques (11C, 13N, 15O), - soit d’halogènes (18F, 76Br) pouvant facilement être incorporés aux molécules sans altérer leurs propriétés biologiques Exemples d’émetteurs de positons : Radioélément Oxygène 15 Azote 13 Carbone 11 Fluor 18 est le fluor 18 Le plus utilisé Energie Max (keV) 1 723 1 190 981 635 Périodes 2 min 10 min 20 min 110 min Rappels physiques : Les émetteurs de positons sont caractérisés par un excès de charge positive dans leurs noyaux. Ils se désintègrent vers un état stable par une transformation d’un proton en un neutron qui conduit à l’émission d’un neutrino et d’un positon. P=> n + e+ + n Celui-ci est de masse égale à celle d’un électron, mais de charge opposée Une fois émis, le positon parcourt quelques mm dans les tissus durant lesquels il perd toute (ou presque) son énergie cinétique. Quand le positon est pratiquement au repos, il interagit avec un électron du milieu : les deux particules disparaissent en donnant naissance à l’émission de 2 photons gamma de 511 keV, émis à 180° l’un de l’autre. Radionucléide Carbone 11 EbMax (keV) 960 Période (min) 20,4 Parcours (mm) 3.9 5 Azote 13 Oxygène 15 Fluor 18 1200 1740 640 10 2 110 4.8 7.9 2.6 Avantages/Inconvénients. • Avantages : - Petits atomes, soit constituants de la matière, soit incorporables avec peu de modifications structurales. - La période est courte => entraîne une période effective courte et donc une dose délivrée correcte pour l’utilisation de cette énergie. • Inconvénients: - Période courte : difficulté de production et d’utilisation. - Coût de production élevé car fabrication par des accélérateurs de particules II ) Détection des émetteurs de positons : Détection en coïncidences Le but est de détecter les deux photons de 511 keV émis simultanément à 180° l’un de l’autre. Deux possibilités : - Utilisation d’une caméra conventionnelle équipée d’un circuit de coïncidence: => Caméra TEDC (deux têtes de détection). Cette méthode n’est cependant plus utilisée. - Utilisation d’une caméra dédiée => Caméra TEP Principe de la caméra TEP Elle est basée sur : - le principe de détection en coïncidence : grâce à une couronne de détecteurs où chaque détecteur travaille avec celui situé en face à 180° sur le cercle. - le principe de la tomographie d’émission pour la reconstruction des images. Architecture particulière de la caméra : - Plusieurs couronnes de détecteurs - Absence de collimateur - un ensemble électronique d’acquisition - - -un ensemble informatique 6 III ) Principe de la coïncidence Le circuit de coïncidence permet de localiser la réaction d’annihilation sur la ligne de coïncidence. Propriété d’émission des photons à 180 degré l’un de l’autre. Deux photons sont en coïncidence si ils sont détectés par le système dans un intervalle de temps donné, appelé fenêtre de coïncidence (10^20 ns). Les évènements (D) détectés incluent : - des coïncidences vraies (T) - des coïncidences diffusées (S) - des coïncidences aléatoires (R D=T+S+R IV ) Les différents événements détectés A ) Coïncidences vraies 7 Evènements détectés simultanément sur les 2 détecteurs, issus de la même annihilation et correspondant à des photons n’ayant subi aucune diffusion sur leur parcours B ) Coïncidences diffusées Evènements détectés simultanément sur les 2 détecteurs, issus de la même annihilation MAIS l’un ou l’autre des photons a subi une déviation de trajectoire au sein du patient. C ) Coïncidences aléatoires Evènements détectés simultanément sur les 2 détecteurs, issus de 2 annihilations différentes. Tous les types de coïncidences peuvent être acceptés par une paire de détecteurs. Seules les coïncidences vraies sont importantes, il faut donc diminuer la contribution des coïncidences diffusées et aléatoires. V ) Rejet des événements indésirables 8 A ) Rejet des coïncidences diffusées Fenêtre en énergie réduite : La discrimination des photons diffusés est d’autant plus efficace que le seuil de l’énergie maximale des photons est élevé. Fenêtre de coïncidence réduite: La diffusion Compton augmente le parcours lumineux du photon et donc aussi la différence de temps entre les impacts des deux photons sur les détecteurs. Insertion de septa (joue le rôle d’un collimateur grâce à une lame de plomb placée sur le détecteur): Pour limiter l’apport du diffusé des organes extérieurs au champ de vue ou d’autres plans B ) Rejet des coïncidences fortuites En diminuant la durée de la fenêtre de coïncidence: La probabilité de compter deux évènements au hasard est d’autant plus grande que la durée de la mesure est longue. Par un calcul à posteriori sur deux types de mesures: 1) A partir du taux de comptage des évènements simples: Ns Ns est proportionnel à la concentration radioactive vue par chaque détecteur Le taux de comptage des coïncidences fortuites Nf: Nf proportionnel Ns 2) à partir d’une deuxième fenêtre de comptage qui est démarrée après la fin de la première. Les photons n’ont physiquement plus le temps d’arriver en coïncidence sur les détecteurs après la fin de la première fenêtre, tout ce qui est mesuré pendant ce temps est donc constitué par des coïncidences fortuites. Cette fenêtre décalée est 3 fois plus longue que la fenêtre de coïncidence. 9 VII) Collimation électronique Le détecteur reçoit tous les photons dont la trajectoire passe par son plan et non plus seulement ceux qui ont une direction perpendiculaire à sa surface, ce qui augmente la sensibilité de détection. Avec sans Le circuit de coïncidence permet d’obtenir la collimation dans le plan de coupe. Ce circuit se compose : - de cristaux disposés à 180° et qui fonctionnent ensemble - d’une fenêtre temporelle - et de la fenêtre spectrométrique. Collimation en TEP dédiée Collimation inter-coupe: Couronne de détecteur 1er schéma : Une couronne de détecteurs, vue axiale avec un septa inter plan 2ème schéma : Une couronne de détecteurs, vue axiale sans septa inter plan - Quand il y a présence de septa: mode 2D - Quand c’est des septa rétractés: mode 3D Il faut noter que le mode 3D entraîne un gain important en sensibilité (de 3 à 5), mais il y a malheureusement une augmentation des coïncidences fortuites et diffusées… => Des méthodes de correction poussées sont alors nécessaires. VIII) Formation des images : Localisation de l’annihilation sur la ligne de coïncidence 10 L’information recueillie par 2 détecteurs en coïncidence représente une direction indiquant le lieu géométrique de l’annihilation : Nous savons que quelque part sur la LOR, il y a eu une annihilation, mais nous ne savons pas où…. 2 Méthodes: Reconstruction Tomographique Temps de vol Temps de vol : Information temps de vol introduite dans la reconstruction : Cette localisation se fait grâce à la mesure de la différence des temps d’arrivée des deux photons sur les détecteurs. Cette mesure est appelée la mesure du temps de vol. On aura une reconstruction moins bruitée, mais il faut avoir un cristal rapide…car besoin d’une précision sur la mesure du temps de vol de l’ordre de 60 ps. IX) Quantification : le SUV Mesure semi-quantitative de la fixation du traceur, ex du18F-FDG • But : – Affiner la distinction entre fixation de type bénigne et maligne (valeur supérieure 2.5 à 3) (aide au diagnostic de malignité). – Facteur pronostic pour certaines études. – Permettre le suivi quantitatif de la fixation d’une lésion maligne en cours de traitement médical comme la chimiothérapie (évaluation précoce après une ou 2 cures de l’efficacité). Problèmes liés à la mesure: • Nécessité d’un facteur de qualibration • Moment de la réalisation de la mesure • Densité des tissus identiques et égale à 1 • Correction du poids maigre, de la surface, de la glycémie • Reproductibilité de la mesure 11 CONCLUSION : CE QU’IL FAUT RETENIR. • Intérêt des émetteurs de Positons • Principe de la coïncidence • Les différents événements détectés – Coïncidences vraies – Coïncidences fortuites – Coïncidences diffusées • Rejet des événements indésirables • Collimation électronique • Correction des phénomènes physiques • Quantification : le SUV 12