Les agents de contraste IRM et plus particulièrement le cas du manganèse

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Les gradients et le shim

LE SHIM

Pour obtenir une qualité d’acquisition optimale, il est nécessaire d’avoir un champ le plus homogène possible au centre de l’aimant. Mais en pratique, la présence de nombreux éléments (les antennes, l’échantillon, les circuits électroniques…) et les différentes interfaces entre les milieux (comme entre l’eau et l’air) déforment les lignes du champ. L’intérêt du shim est de réduire ces différentes perturbations en améliorant l’homogénéité. Pour cela, le shim est constitué de plusieurs bobines (en cuivre) réparties dans tout le tunnel de l’aimant. Mais la recherche d’un optimal est complexe [4], elle consiste à résoudre l’équation suivante : ∆ =0 (1-20)

La solution peut s’exprimer en coordonnées sphériques sous la forme de plusieurs harmoniques. Les harmoniques d’ordre supérieur ou égal à un représentent les erreurs. Pour les faire disparaître, il est nécessaire d’ajouter un champ magnétique à l’aide de plusieurs bobines qui annulera les harmoniques indésirables [5]. L’ajustement du courant de chaque bobine peut être réglé manuellement ou grâce à des algorithmes. Le shim (l’ajustement de l’homogénéité du champs) peut être réalisé sur tout le volume de l’antenne, ou dans un volume restreint appelé zone d’intérêt [6]. Dans la majorité des cas, on préfère travailler sur une zone d’intérêt restreint plutôt que sur tout le volume. L’homogénéité du champ est ainsi meilleure.

LES GRADIENTS

La plus grande distinction entre IRM et une RMN, est la présence de gradients sur la première et pas sur la seconde. Cet élément permet de réaliser les découpes de l’espace en voxels. Trois gradients sont présents, un pour chaque axe de l’espace.

On caractérise les gradients par leur intensité exprimée en tesla par mètre et leur dérivée temporelle maximum exprimant leur habileté à changer rapidement de valeur. En règle générale leurs intensités maximales sont de quelques centaines à plusieurs milliers de milli teslas par mètre. Le champ magnétique produit est beaucoup plus faible que le champ de l’aimant de l’IRM. Des courants de Foucault créés par les variations du champ, pendant les acquisitions, peuvent être néfastes au signal. De plus, les forces de Lorentz apparaissent, elles sont à l’origine du bruit caractéristique des IRM. Pour moins gêner les patients, des efforts sont réalisés sur les systèmes cliniques pour diminuer le bruit. Les forces de Lorentz ont aussi pour conséquence de faire vibrer le système et l’échantillon.

Acquisition de l’image

L’ESPACE DES K

Au contraire des autres techniques d’imagerie (optique, radiologie…), en IRM, l’acquisition ne se fait pas dans l’espace réel (celui du laboratoire) mais dans l’espace fréquentiel : l’espace k.

Les variables et ∆ sont respectivement la résolution spatiale et fréquentielle, tandis que correspond au « Field Of View », c’est-à-dire à la dimension de l’espace de vue dans l’espace réel. Sur chaque axe de l’espace, ces variables ont des valeurs différentes selon les paramètres de l’image acquise. Par exemple, la résolution spatiale et fréquentielle selon l’axe x peut être différente de celle de l’axe y.

La transformée de Fourier permet de passer de l’espace des k à l’espace des réels. La résolution des images est dépendante du nombre de points acquis. Cependant, l’accélération d’encodage ou/et le « zéro filling » influence ce nombre. Ils permettent d’augmenter artificiellement la résolution de l’image ou facilitent la reconstruction de l’image.

ACQUISITION

Une séquence d’acquisition est une succession d’impulsions d’excitation, de gradients et de réceptions. Les gradients servent comme on a vu précédemment à parcourir l’espace des k en 2D ou 3D, mais ils permettent aussi de sélectionner la coupe lorsque l’on est en 2D en appliquant un gradient non nul lors de l’excitation.

L’avantage des images 2D (multi coupe) est leur faible temps d’acquisition. Il est alors possible d’atteindre une résolution convenable et la distance séparant les coupes est libre. L’acquisition 3D permet d’obtenir plus de signal et aussi une meilleure résolution spatiale car il n’y a pas de gradient de sélection de coupe.

Il existe plusieurs types d’impulsions d’excitation. Le but premier est d’exciter les spins seulement sur une tranche le plus précisément possible (la tranche la plus fine et de ne pas exciter les spins voisins). Le profil optimal est un profil rectangulaire dans l’espace fréquentiel. La sélection des spins se fait sur leur fréquence à l’aide des gradients (voir Figure 5).

Les deux excitations les plus connues sont : l’impulsion rectangulaire et le sinus cardinal. Le premier est surtout utilisé pour des excitations large bande, ainsi les impulsions sont très courtes. Dans l’espace fréquentiel on obtient un sinus cardinal. L’excitation n’est pas proprement sur une tranche précise, ce qui serait possible si l’impulsion était suffisamment longue. Tandis que le sinus cardinal devient par la transformée de fourrier une fonction carrée. Dans tous les cas, lorsque l’on augmente la puissance de l’impulsion, l’angle d’excitation augmente.

et aussi aux gradients de parcourir l’espace des k. La deuxième raison est que lors d’un écho de spin, on obtient le signal non coupé et sans effet 2∗.

Deux techniques sont la base de la majorité des séquences utilisées en IRM, et permettent d’avoir un écho :

– L’écho de spin est la méthode la plus simple. La Figure 6A schématise une représentation temporelle des différents éléments constituant l’écho. Pour comprendre faisons un parallèle avec une course. À l’impulsion 90°, le stop départ est

donné, mais dû à l’inhomogénéité du champ magnétique, tous les spins (coureurs) ne vont pas à la même vitesse. À 2/2, on leur demande de faire demi-tour (ce qui correspond à l’impulsion 180°). À , tous les coureurs arriveront en même temps sur la ligne de départ. Mais tous les spins n’auront pas effectué la même distance. Ce qui nous importe est qu’à ce moment-là, tous les spins se refocalisent et le signal est maximal. Le temps de répétition est défini par le temps séparant les deux impulsions de 90° (voir la Figure 6A). À chaque encode de ligne dans le K-space, la paire d’excitation 90 et 180° est répétée.

– L’écho de gradient est dû au déphasage créé après l’impulsion d’angle α (α < 90°) avec le gradient Gread. À mi-temps, le gradient s’inverse. Au final, à , l’intégrale du gradient est nulle. Les spins ont alors tous la même phase. On a ainsi la refocalisation des spins. La figure 2B représente le schéma temporel de cet écho. Le temps de répétition correspond au temps entre deux impulsions d’angle α.

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Table des matières

Introduction
Chapitre 1: Principes de l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM)
1.1. Principe de la RMN
1.1.1 Description
1.1.2 Les temps de relaxation
1.2. Les gradients et le shim
1.2.1 Le shim
1.2.2 Les Gradients
1.3. Acquisition de l’image
1.3.1 L’espace des K
1.3.2 Acquisition
1.4. Quelles séquences pour avoir l’image voulue ?
1.4.1 Image de la densité des spins
1.4.2 Image pondérée en T1
1.4.3 Image pondérée en T2
1.5. Les Antennes
1.5.1 Description
1.5.2 Rapport Signal sur Bruit RSB ou SNR
1.5.3 Facteur de Qualité
Chapitre 2: Antennes
2.1. Antennes microscopiques
2.1.1 Spécifications et circuit
2.1.2 Amélioration de l’uniformité
2.1.3 Antenne surfacique
2.1.4 Antennes volumiques
2.2. Multi Antennes
2.2.1 Préamplificateur
2.2.2 L’antenne
2.3. Résumé des caractéristiques
Chapitre 3: Les agents de contraste IRM et plus particulièrement le cas du manganèse
3.1. Introduction sur les agents de contraste en IRM
3.2. L’IRM fonctionnelle par effet BOLD
3.3. Le manganèse
3.3.1 Applications du manganèse en IRM
3.3.2 L’observation du manganèse
3.3.3 Comment le manganèse penetre dans les neurones ?
Chapitre 4: Imagerie cellulaire avec manganèse
4.1. Introduction
4.1.1 Les aplysies [42]
4.1.2 Le choix des aplysies
4.2. Les expériences in-vivo
4.2.1 Introduction
4.2.2 Protocole
4.2.3 Résultats
4.2.4 Discussion
4.3. Les expériences in-vitro
4.3.1 Introduction
4.3.2 Protocole
4.3.3 Résultats
4.3.4 Discussion
Conclusion
Bibliographie
Chapitre 5: Annexe
5.1. Annexe 1 : CV
5.2. Annexe 2 : Liste des publications