Les grands domaines de l'IRM

Les développements conséquents de l’imagerie par résonance magnétique au cours des vingt dernières années ont affirmé sa suprématie sur la plupart des autres méthodes d’exploration non invasives du corps humain. Ces progrès ont eu d’autres conséquences pour les physiciens de l’imagerie : ne connaître que l’un des pans de l’IRM ne peut désormais plus suffire pour développer de nouvelles séquences ou simplement s’approprier au mieux celles déjà existantes. Il est nécessaire d’avoir une vision claire et précise de l’ensemble des champs explorés aujourd’hui par cette technique d’imagerie, comme l’imagerie rapide, les flux, la diffusion, la perfusion ou encore l’IRM fonctionnelle.

Ce livre a pour objectif de permettre au lecteur possédant une base physique et mathématique de l’IRM de s’immerger facilement dans des techniques qui ne lui sont pas familières. D’approche pragmatique, fait d’allers et retours entre la théorie et les examens cliniques des images, il sera également apprécié des radiologues amenés à définir des protocoles ou à exploiter au mieux les images obtenues.

Préface - Franck GIRARD
13
Chapitre 1. Le flux
13

1.1. Le sang
13

1.1.1. Les caractéristiques du flux sanguin
13

1.1.2. Flux laminaire et flux turbulent
13

1.2. Les phénomènes de base de l’angiographie
14

1.2.1. Phénomène de temps de vol
15

1.2.1.1. Phénomène de sortie de coupe en séquence d’écho de spin.
15

1.2.1.2. Phénomène d’entrée de coupe (ou renforcement paradoxal)
16

1.2.2. Phénomène de variation de la phase des spins circulant
20

1.2.2.1. Déphasage des protons dans un gradient unipolaire
20

1.2.2.2. Déphasage des protons dans un gradient bipolaire
21

1.2.2.3. Forme de gradients insensibles à la vitesse : gradient de compensation de flux.
22

1.3. Les artéfacts liés au flux
24

1.3.1. Artéfact du flux pulsatile du sang ou du LCR
24

1.3.1.1. Les causes…
24

1.3.1.2. … et les conséquences
24

1.3.1.3. Solutions
25

1.3.2. Erreur de localisation des fluides
27

1.3.2.1. Description
27

1.3.2.2. Paramètre influant sur l’artéfact de localisation
28

1.3.2.3. Réalité clinique
28

1.3.2.4. Solution
31

1.3.3. Autres artéfacts
32

1.3.3.1. Artéfact dû à un gradient de vitesse
32

1.3.3.2. Autre artéfact rencontré en séquence SE
33

1.4. Les séquences d’ARM
33

1.4.1. Temps de vol (TOF)
34

1.4.1.1. La technique
34

1.4.1.2. Limites et optimisations
36

1.4.1.3. Différents types d’acquisition d’un volume
38

1.4.2. Contraste de phase (PCA)
44

1.4.2.1. La technique
44

1.4.2.2. Choix des paramètres et artéfacts liés à la séquence.
48

1.4.2.3. Différents types d’acquisition d’un volume
51

1.4.3. Le « match » TOF/PCA
52

1.4.4. ARM par injection de produit de contraste (ARM-CE)
53

1.4.4.1. La technique
53

1.4.4.2. Paramètres liés à la séquence
56

1.4.4.3. Stratégies pour améliorer le contraste
60

1.4.4.4. Artéfacts
61

1.4.4.5. Les plus et les moins de la technique d’ARM-CE
61

1.5. Étude de deux problèmes cliniques
62

1.5.1. Différenciation entre un thrombus et un écoulement lent.
62

1.5.1.1. Le problème
62

1.5.1.2. Propositions et solutions
62

1.5.2. Evaluation « correcte » d’une sténose
64

1.5.2.1. Le problème
64

1.5.2.2. Solution possible
64

Chapitre 2. La diffusion
65

2.1. Généralités
65

2.1.1. Qu’est-ce que la diffusion ?
65

2.1.2. Quel est son intérêt médical ?
66

2.1.3. Les trois grands types de diffusion
67

2.1.3.1. Diffusion libre
67

2.1.3.2. Diffusion restreinte isotrope
67

2.1.3.3. Diffusion restreinte anisotrope
67

2.2. Principe de l’imagerie de diffusion et de la séquence associée.
68

2.3. Étude du signal obtenu
70

2.3.1. Expression du signal
70

2.3.1.1. Variation de l’aimantation transversale en fonction du temps en absence de diffusion
70

2.3.1.2. Variation de l’aimantation transversale en fonction du temps en présence de diffusion uniquement
70

2.3.1.3. Variation de l’aimantation transversale en fonction du temps
72

2.3.2. Coefficient de diffusion
74

2.3.3. Facteur b
74

2.3.3.1. Valeur de b et échelle de travail.
74

2.3.3.2. Quelle valeur de b doit-on donc choisir ?
76

2.3.3.3. Nécessité de gradients importants
76

2.4. Séquence de diffusion et images de diffusion
76

2.4.1. Séquence complète
76

2.4.2. Image de diffusion
77

2.4.2.1. Protocole
77

2.4.2.2. L’artéfact d’anisotropie
78

2.4.2.3. L’artéfact de T2 shine through
79

2.4.2.4. Artéfact d’anisotropie ou ischémie
80

2.4.3. Cartographie ADC
83

2.4.3.1. Intérêt
83

2.4.3.2. Marche à suivre
83

2.4.3.3. Un exemple d’une cartographie ADC « normale ».
85

2.4.4. Les images « pièges »
85

2.4.4.1. Hypersignal en diffusion n’entraînant pas forcément un ADC diminué (T2 shine through ou surbrillance T2).
86

2.4.4.2. Hyposignal en diffusion n’entraînant pas forcément un ADC augmenté (T2 black out ou atténuation T2)
86

2.4.4.3. Diffusion normale n’entraînant pas forcément un ADC normal (T2 washout ou compensaton T2)
86

2.5. Les différentes applications cliniques de la diffusion
87

2.5.1. Etude d’un accident ischémique
87

2.5.1.1. Mécanisme d’un accident ischémique
87

2.5.1.2. Apport et limites des séquences conventionnelles à la détection de l’accident ischémique
88

2.5.1.3. Apport de l’imagerie de diffusion
90

2.5.2. Abcès cérébral ou tumeur nécrosée ?
94

2.5.3. Limites de l’imagerie de diffusion
95

2.5.3.1. Décisions thérapeutiques lors d’un AVC
95

2.5.3.2. Nécessité de revenir aux séquences « classiques »
96

2.6. Artéfacts fréquemment rencontrés en diffusion
97

2.6.1. Artéfact spécifique à l’EPI
97

2.6.1.1. Courants de Foucault
97

2.6.1.2. Ghosting
98

2.6.1.3. Artéfact de déplacement chimique
98

2.6.2. Artéfact particulier à la séquence de diffusion
98

2.6.2.1. Non-linéarité du gradient de diffusion
98

2.6.2.2. Artéfact de mouvement
99

2.6.2.3. Artéfact lié à l’utilisation d’antennes multicanaux
100

2.7. Imagerie du tenseur de diffusion
101

2.7.1. Intérêt
101

2.7.2. Pricipes généraux de l’imagerie tensorielle de diffusion
102

2.7.2.1. Comment faut-il procéder pour caractériser une diffusion anisotrope en 2D ?
102

2.7.2.2. Modélisation mathématique
105

2.7.3. Imagerie tensorielle de diffusion
108

2.7.3.1. Obtention du tenseur de diffusion dans la base (x,y,z)
108

2.7.3.2. Obtention des directions principales de diffusion
111

2.7.3.3. Représentation graphique du tenseur de diffusion
111

2.7.3.4. Imageries dérivées du tenseur de diffusion
112

2.7.4. Applications cliniques
115

2.7.4.1. Sclérose en plaques
115

2.7.4.2. Tumeurs
115

2.8. Tractographie
116

2.8.1. La méthode FACT
116

2.8.1.1. Présentation
116

2.8.1.2. Limite : précision du suivi de fibre
118

2.8.2. Deux paramètres importants de la méthode
119

2.8.2.1. Choix des points germes
119

2.8.2.2. Critères d’arrêt
120

2.8.3. Le problème des croisements de fibre
120

2.8.4. Applications cliniques
121

2.8.4.1. Sclérose en plaques
121

2.8.4.2. Tumeurs
122

Chapitre 3. La perfusion
123

3.1. Généralités
123

3.1.1. Qu’est-ce que la perfusion ?
123

3.1.1.1. Différences angiographie/perfusion
123

3.1.1.2. Deux techniques différentes de perfusion
124

3.1.2. Quel est son intérêt médical ?
124

3.1.2.1. Intérêt dans le cas d’un AVC
124

3.1.2.2. Intérêt dans le cas d’une tumeur
124

3.2. Traceurs exogènes
125

3.2.1. La technique
125

3.2.1.1. Effet de l’agent de contraste
125

3.2.1.2. Quelle séquence choisir ?
126

3.2.2. Les informations obtenues d’une séquence de perfusion.
127

3.2.2.1. Le signal
127

3.2.2.2. Quels sont les paramètres obtenus ?
127

3.2.2.3. Quantification des paramètres
128

3.2.3. Modifications des paramètres en fonction du type de pathologie.
130

3.2.4. Optimisation
131

3.3. Traceurs endogènes : technique d’ASL
132

3.3.1. Pourquoi des traceurs endogènes ?
132

3.3.2. Principe et sensibilité de la méthode utilisant les traceurs endoènes
132

3.3.2.1. Méthode
132

3.3.2.2. Sensibilité
133

3.3.3. Technique du marquage continu (CASL)
135

3.3.3.1. Séquence
135

3.3.3.2. Principe de la mesure du flux sanguin cérébral (« CBF » ou « f »)
139

3.3.3.3. Les problèmes liés à cette technique
142

3.3.4. Technique du marquage pulsé (PASL : Pulsed Arterial Spin Labeling)
147

3.3.4.1. Principe
148

3.3.4.2. Problèmes liés à la technique
148

3.3.4.3. Les différentes séquences PASL
149

3.3.5. CASL ou PASL ?
153

3.3.5.1. Méthode CASL
154

3.3.5.2. Méthode PASL
155

3.3.6. Conclusion : intérêts et limites de l’ASL
155

3.3.6.1. Intérêts de la technique d’ASL
155

3.3.6.2. Ses limites
155

3.4. Applications médicales
157

3.4.1. L’AVC ischémique
157

3.4.1.1. Paramètres de l’imagerie de perfusion et AVC
157

3.4.1.2. Apport combiné des imageries de perfusion et de diffusion dans le traitement d’un AVC.
158

3.4.2. Les tumeurs
161

3.4.2.1. Développement et grades d’une tumeur
161

3.4.2.2. Perfusion et aide au pronostic ou à l’intervention
162

3.4.3. Autres applications
163

Chapitre 4. L’IRM fonctionnelle
165

4.1. Principe
165

4.1.1. Provenance du signal IRMf (effet BOLD)
165

4.1.1.1. Métabolisme de l’activité cérébrale
165

4.1.1.2. Le couplage neurovasculaire
166

4.1.1.3. Le signal BOLD et la courbe hémodynamique
167

4.1.1.4. Résumé
169

4.1.2. Type de paradigme
170

4.1.2.1. Nécessité d’une alternance repos/activation
170

4.1.2.2. Les deux grands types de paradigme
170

4.1.2.3. Comment choisir l’état de référence ?
174

4.1.3. Type de séquence utilisée en IRMf
174

4.1.3.1. Résolution temporelle
175

4.1.3.2. Résolution spatiale
175

4.1.3.3. Exemple de séquence
175

4.2. Introduction à l’analyse statistique
176

4.2.1. Pourquoi cette étude ?
176

4.2.1.1. Acquis
176

4.2.1.2. But
176

4.2.2. Comment faire cette analyse ?
177

4.2.2.1. Premier sous-problème
178

4.2.2.2. Deuxième sous-problème.
178

4.2.3. La technique de la régression linéaire simple
179

4.2.3.1. Hypothèse de base
180

4.2.3.2. Estimation des paramètres β0 et β1
180

4.2.3.3. Qualité de l’estimation
181

4.2.3.4. Ecart entre les valeurs estimées et les valeurs exactes.
182

4.2.3.5. Comment obtenir une meilleure estimation ?
185

4.2.3.6. L’intervalle de confiance et la loi de Student
186

4.2.3.7. … et en pratique ?
189

4.2.3.8. Retour à l’exemple
190

4.2.3.9. Conclusion : méthode générale de résolution
192

4.2.4. La technique de la régression linéaire multiple
193

4.2.4.1. Hypothèse de base et objectifs
193

4.2.4.2. Estimation de la matrice β
195

4.2.4.3. Retour à l’exemple
198

4.3. Analyse statistique et IRMf
201

4.3.1. La modélisation du signal IRMf
201

4.3.1.1. Signal réel et signal modélisé
201

4.3.1.2. Exemple
204

4.3.1.3. Détermination des paramètres et origine de l’erreur résiduelle
207

4.3.1.4. Comment obtenir le « meilleur modèle ? »
209

4.3.2. Test statistique
213

4.3.2.1. Les tests t
213

4.3.2.2. Y a-t-il d’autres tests ?
214

4.3.2.3. Est-il toujours possible de déterminer une zone fonctionnelle spécifique ?
216

4.3.2.4. Une recette pour réussir son étude fonctionnelle ?
218

4.3.2.5. Map d’activation et choix d’un seuil statistique
222

4.3.2.6. Le problème des tests multiples
223

4.4. Prétraitement et limites de l’IRMf
229

4.4.1. Correction du mouvement
229

4.4.1.1. Pourquoi cette correction est-elle nécessaire ?
229

4.4.1.2. Correction des artéfacts de mouvement
232

4.4.1.3. Synthèse
234

4.4.2. Correction du délai d’acquisition entre coupes
235

4.4.3. Correction des distorsions géométriques
235

4.4.4. Vue d’ensemble du traitement en IRMf
236

4.5. Application de l’IRMf
236

4.5.1. Analyse de groupe
236

4.5.1.1. Pourquoi une analyse de groupe ?
236

4.5.1.2. Quels sont les problèmes rencontrés ?
238