Aspects pratiques IRMf - Jean
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Aspects pratiques IRMf - Jean
Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Environnement expérimental Systèmes de stimulation / enregistrement Caractéristiques des images Jean-Luc Anton Centre IRMf de Marseille http://irmfmrs.free.fr/ Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Plan Introduction Environnement expérimental Sujets Systèmes de stimulation / enregistrement Comment choisir sa machine IRM ? Acquisition des images IRM Artéfacts sur les images IRM Aspects éthiques, administratifs et financiers Conclusions Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Introduction Frithjof Kruggel (Max-Planck-Institute of Cognitive Neuroscience, Leipzig) Les 3 secrets d’une bonne expérience en IRMf : 1 : Notez tout ce que vous faites 2 : Notez tout ce que vous faites 3 : Notez tout ce que vous faites Ils ont raison !! Jean-Baptiste Poline (SHFJ-CEA, Orsay) Je ne vous le répéterai jamais assez : Pensez à comment vous allez traiter vos données Lorsque vous concevez votre protocole expérimental. Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Environnement expérimental Environnement de réalisation des tâches comportementales : véritable « parcours du combattant » pour les sujets * Allongé (problème pour certaines études : posture …) * Exiguïté Tube IRM et Antenne Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Environnement expérimental Exiguïté + Périphériques plus ou moins nombreux et envahissants Æ sélection stricte des sujets (claustrophobie) Æproblème pour les patients Æ détendre l’atmosphère : diaporama paradisiaque pendant l’anatomie Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Environnement expérimental Bruits Tête froide Séquence anatomique Séquence EPI Bruit acoustique énorme (séquences EPI) !! Æ protections nécessaires (bouchon d’oreille + casque anti-bruit) Æ systèmes d’atténuation passifs ou actifs Æ séquences IRM adaptées Isolé du reste du Monde Æ poire d’alarme Æ micros / casque Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Sujets Recrutement et sélection des sujets * Critères d’exclusion et d’inclusion - médicaux - « compatible » IRM (stimulateurs, clips, éclats de métal, tatouages, piercing, …) - claustrophobie, femme enceinte, médicaments, … - psychophysiques - sexe, âge, latéralité, langue maternelle, acuité visuelle, ... - niveau d’étude, jeu vidéo, sport, musique, … * Sujets « habitués » : plus facile * Patients, personnes âgées : plus difficile * Indemnisation / motivation * Qualité des images dépend des sujets (métal ou … ?) * Choix de la population : représentative de quoi ? les étudiants du labo ? Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Sujets * Sécurité : - Questionnaire médical, présence d’un médecin - Sujet + expérimentateurs : vider les poches, bijoux, montres, pince à cheveux, ceinture … * Consignes (écrites si possible : identiques pour tous les sujets) - Ne pas bouger la tête (donc pas le corps non plus !) - Contrôler les stratégies possibles pour résoudre les tâches * Entraînement : - Système expérimental similaire * Installation : - Démaquillage - Confort (dos) : coussins - Tête : orientation, contention * Consignes en cours d’acquisition * Débriefing après Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Æ Simulateur d’IRM Systèmes de stimulation / enregistrement * Problèmes techniques complexes - Champ magnétique intense - Signal radio-fréquence - Présence de la cage de Faraday - Courants de Foucault - Exiguïté de l’espace au sein du tunnel IRM * Solutions adaptés à chaque projet de recherche - Périphériques (stimulation / réponse) - Décours temporel - Précision nécessaire Plaque à filtre * Contrôle informatique et électronique - Pilotage en temps réel synchronisé avec les acquisitions IRM Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Systèmes de stimulation / enregistrement * Stimulation visuelle - Images statiques, films vidéo. Contrôle précis de la carte vidéo - Vidéoprojecteur : mieux que lunettes « spéciales IRM » - Cellule photo-électrique : contrôle du temps, trigger EEG, … Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Systèmes de stimulation / enregistrement * Stimulation auditive - Pastilles piezzo-électriques (aïgus OK) - Transducteurs à air (graves meilleurs) - Electrostatiques - Electrodynamiques * Stimulations proprioceptives - Vibrations (fuseaux neuro-musculaires) - bras articulé et motorisé * Stimulation cutanée - Lames piezzo-électriques * Stimulations plus exotiques : olfactive, gustative, déglutition … Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Systèmes de stimulation / enregistrement Enregistrement en temps réel des réponses comportementales du sujet * Contrôle précis - du temps (temps de réaction : compteurs électroniques) - de la stabilité de la réponse * Claviers ergonomiques (main gauche et / ou droite) * Souris, joystick * Mesure des angles articulaires * Mesure de la force motrice Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Systèmes de stimulation / enregistrement Enregistrement en temps réel des indices physiologiques - Fréquence cardiaque - Respiration - Réponse électrodermale (RED) - Electro-MyoGramme (EMG) Intérêts - Traitement des données IRMf - Indice sur l’état du sujet (stress, attention, émotion …) Bonus : l’EEG en plus !! Æ Coussins à vide, sujets résistants … Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Comment choisir sa machine IRM ? * Augmenter la puissance du champ B0 ? (1.5 Tesla, 3 T, 7 T …) - Avantages Rapport signal/bruit augmente : ~ B0 3/2 Æ Meilleure résolution spatiale (S/B ~ nombre de spins ~ volume du voxel) Æ Contraste T2* meilleur Æ Effet BOLD plus important - Inconvénients . Plus d’artefacts sur les images fonctionnelles . Homogénéité de B0 Æ tunnel plus étroit et/ou plus long . T1 plus long Æ image anatomique : contraste gris-blanc diminue (acquisition plus longue) . Fréquence de résonance plus élevée Æ Pénétration de la Radio-Fréquence moins bonne Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Comment choisir sa machine IRM ? * Homogénéité du champ B0 - Essentiel pour le contraste T2* - Dépend : . Dimensions . Bobine et environnement . Blindage (passif/actif) . Shim passif . Bobines de shim actif (fastmap) * Antennes Radio-fréquence - Homogénéité du champ B1 - Sensibilité . Quadrature meilleure que linéaire . Antennes de surface Localement : S/B ++ Æ résolution spatiale ++ . Antennes en réseau : plusieurs chaînes RF Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Comment choisir sa machine IRM ? * Système de gradients - Linéarité Æ Distorsion spatiale (correction par les pré-emphasis) - Stabilité au cours du temps Æ Dépend de la température (système de refroidissement) - Puissance (mT/m) & (ex : 45mT/m) Vitesse de commutation (ex : 390ms) Æ Résolution spatiale et temporelle . Important pour les séquences EPI : IRMf, diffusion * Confort du sujet - Effets des champs élevés (> 3 T) : goût, hallucinations … - Espace a l’intérieur du tube (ex : diamètre : 55cm) - Profondeur du tube (ex : longueur : 3m) - Bruit acoustique (ex : EPI : 120dB) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Installation du sujet, des périphériques, réglage de l’antenne * Plusieurs types d'images acquises … Images de repérages Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM Repérage de CA – CP Définition de la localisation des images anatomiques et fonctionnelles Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Anatomie Compromis entre 3 critères . Contraste (blanc-gris) / bruit . Résolution spatiale . Temps d’acquisition (1 – 3 mm) (5 – 20 minutes) Choix en fonction des traitements à venir . Localiser les régions activées pour chaque sujet Æ 2D au niveau des coupes fonctionnelles . Normaliser à la SPM Æ 3D, résolution et contraste pas cruciaux (génération éventuelle d’un template local) . Segmenter à la Brainvisa (matière blanche/grise, surface corticale, sillons …) Æ 3D, bonne résolution spatiale et bon contraste Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Anatomie : type d’acquisition 2D 3D plus long mais S/B ++ Æ résolution spatiale ++ Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Anatomie : orientation du volume 3D Axial Sagittal Repliement du cou Inhomogénéité de RF (Æ biais en z) * Réglage des paramètres : - Séquences Inversion-Récupération (contraste++, temps ++) ... Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Anatomie jolie Æ jolis traitements (Anatomist / Brainvisa) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Fonctionnelles Compromis entre 5 critères . Taille du volume acquis . Résolution temporelle . Résolution spatiale . Rapport signal / bruit . Bruit acoustique Premier critère : localisation des régions cérébrales à étudier Æ Définition du volume à acquérir : . Nombre de coupes . Epaisseur des coupes (typiquement 3mm) (avec ou sans espacement entre les coupes) Deuxième critère : résolution temporelle (Æ puissance statistique) Temps d’acquisition de chaque volume (Temps de Répétition : TR) . Séquences EPI ou spiralées : 1 coupe en 50ms à 100ms Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Fonctionnelles : résolution spatiale matrice 64x64 (Pixel : 3 x 3 mm) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf 128x128 (Pixel : 1.5 x 1.5mm) Acquisition des images IRM * Fonctionnelles EPI Æ bruit acoustique important Courbes de niveaux sonores 160 140 120 100 80 60 40 20 0 63 125 250 500 1000 Fréquences (Hz) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf 2000 4000 Acquisition des images IRM * Fonctionnelles Séquences d’acquisition adaptées - Commutations des gradients plus « douces » - Pour les études auditives : sparse imaging A Protocole de stimulation Silence B Silence C Silence … 20 secondes Sil A A Sil Sil B B Sil Sil C C Sil … Acquisition EPI TA=2s TR=10s TA : Temps d’Acquisition (2 secondes = 24 slices) TR : Temps de Répétition Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Fonctionnelles Ordre d’acquisition des coupes pour chaque volume . Séquentiel (coupes 1 2 3 4 5 6 …) . Entrelacé (coupes 1 3 5 …. 2 4 6 …) (moins d’influence du signal d’une coupe sur les voisines) Æ les pré-traitements des images fonctionnelles seront différents : . Correction du décalage temporel inter-coupe (« slice timing ») . Correction des mouvements de la tête (« realign ») Réglage des paramètres Temps d’Echo (TE) dépend . de la valeur de B0 (à 3 T, TE = 35ms ; à 1.5T, TE = 60ms) . éventuellement des régions à imager (régions artéfactées) Angle de basculement : dépend du TR (Optimiser en fonction de la formule de Ernst) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Fonctionnelles Au début de chaque série, le signal n’est pas encore stabilisé (~10s) Æ Nécessité de supprimer les premiers volumes lors des traitements 4 3 2 1 0 A la fin de chaque série d’acquisition, Prévoir également quelques volumes supplémentaires . Les 2 derniers supprimés après le « slice timing » . Laisser redescendre la réponse hémodynamique Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Fonctionnelles Durée et nombre des séries d’acquisition (runs, sessions) . Règle de base Toutes les conditions qui seront comparées entre elles doivent apparaître dans les mêmes séries . Choix Peu de séries longues (ex : 3 x 15 minutes) Plus de séries courtes (ex : 9 x 5 minutes) . En fonction . des capacités des sujets à rester concentrés (problème d’attention, de fatigue, …) . de la nécessité de traiter les séries séparément (étude de l’apprentissage, fatigue, …) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Acquisition des images IRM * Autres images - Angiographie : pour localiser les principaux vaisseaux sanguins - Diffusion : pour analyser la connectivité dans la substance blanche - ... Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts systématiques sur les images fonctionnelles - Augmentent avec la valeur du champ principal B0 - Régions avec un fort gradient de susceptibilité magnétique Régions hautes : OK Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts systématiques sur les images fonctionnelles - Régions avec un fort gradient de susceptibilité magnétique Régions orbito-frontales et temporales : bof ! Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts systématiques sur les images fonctionnelles - Régions avec un fort gradient de susceptibilité magnétique Régions orbito-frontales et temporales : bof ! Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts systématiques sur les images fonctionnelles - Régions avec un fort gradient de susceptibilité magnétique Régions orbito-frontales et temporales : bof ! Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts systématiques sur les images fonctionnelles - Régions avec un fort gradient de susceptibilité magnétique * Deux facteurs - Perte de signal due à une diminution locale du T2 (Æ adaptation du TE, séquence de type PRESTO) - Distorsion spatiale due à l’inhomogénéité locale de B0 (Æ correction possible avec une carte de champ : phase map) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts systématiques sur les images fonctionnelles Æ Carte de champ : phase map Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts occasionnels sur les images fonctionnelles Images fantômes (ghosts) Correction à la reconstruction Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts occasionnels Spikes (arcs électriques) Æ courants induits dans l’antenne RF Plans de Fourier Normal Plan Image Spikes Rayures Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts occasionnels Problèmes de Radio-Fréquence : pénétration (Présence d’un casque EEG) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts occasionnels Problèmes de Radio-Fréquence : pénétration (Présence d’un casque EEG) Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts occasionnels Problèmes de Radio-Fréquence : boucles, « fuites » (appareillage), … Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts occasionnels Problèmes de Radio-Fréquence : boucles, « fuites » (appareillage), … OK Aspects pratiques d’une expérience en IRMf (Présence d’un système EEG) Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts occasionnels Problèmes liés aux mouvements du sujet : image floue, voire pire … Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Artéfacts sur les images IRM * Artéfacts occasionnels Comment les détecter ? tsdiffana (M. Brett) : Outil de vérification de la qualité des images Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Aspects éthiques, administratifs et financiers * Loi Huriet - Promoteur (assurance) - Médecin responsable - Dossier à envoyer à la cellule éthique (CNRS, INSERM, …) puis au CCPPRB Æ Prévoir 2 à 3 mois ... * Financement - Acquisitions IRM - Matériels informatiques - Indemnisation des sujets * ... Aspects pratiques d’une expérience en IRMf Conclusions * Qualité des résultats dépend - d’une bonne réflexion préalable - d’une bonne cohérence entre toutes les étapes (une personne doit suivre du début à la fin) * Nombreux compromis - résolutions spatiale, temporelle, S/B … * Il est parfois préférable de recommencer de zéro que de poursuivre dans une impasse (acquérir à nouveau) (traiter encore) Æ Choix difficiles et douloureux Pas de réponse universelle ... comme dans la vraie Vie ! Aspects pratiques d’une expérience en IRMf