Aspects pratiques IRMf - Jean

Transcription

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/
Plan
Introduction
Sujets
Comment choisir sa machine IRM ?
Acquisition des images IRM
Artéfacts sur les images IRM
Aspects éthiques, administratifs et financiers
Conclusions
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
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.
Environnement de réalisation des tâches comportementales :
véritable « parcours du combattant » pour les sujets
* Allongé (problème pour certaines études : posture …)
* Exiguïté
Tube IRM et Antenne
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
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
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 ?
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
Æ Simulateur d’IRM
* 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
* 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, …
* 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 …
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
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 …
* 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
* 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
* 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)
* Installation du sujet, des périphériques, réglage de l’antenne
* Plusieurs types d'images acquises …
Images de repérages
Repérage de CA – CP
Définition de la localisation
des images anatomiques
et fonctionnelles
* 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
* Anatomie : type d’acquisition
2D
3D
plus long mais S/B ++
Æ résolution spatiale ++
* 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 ++)
...
* Anatomie jolie Æ jolis traitements (Anatomist / Brainvisa)
* 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
* Fonctionnelles : résolution spatiale
matrice 64x64 (Pixel : 3 x 3 mm)
128x128 (Pixel : 1.5 x 1.5mm)
* 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)
2000
4000
* 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
* 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)
* 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
* 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, …)
* Autres images
- Angiographie : pour localiser les principaux vaisseaux sanguins
- Diffusion : pour analyser la connectivité dans la substance blanche
- ...
* 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
Régions orbito-frontales et temporales : bof !
* 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)
Æ Carte de champ : phase map
* Artéfacts occasionnels sur les images fonctionnelles
Images fantômes (ghosts)
Correction à la reconstruction
* Artéfacts occasionnels
Spikes (arcs électriques) Æ courants induits dans l’antenne RF
Plans de Fourier
Normal
Plan Image
Spikes
Rayures
Problèmes de Radio-Fréquence : pénétration
(Présence d’un casque EEG)
Problèmes de Radio-Fréquence : pénétration
(Présence d’un casque EEG)
Problèmes de Radio-Fréquence : boucles, « fuites » (appareillage), …
Problèmes de Radio-Fréquence : boucles, « fuites » (appareillage), …
OK
(Présence d’un système EEG)
Problèmes liés aux mouvements du sujet : image floue, voire pire …
Comment les détecter ?
tsdiffana (M. Brett) : Outil de
vérification de la qualité des images
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
* ...
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 IRMf - Jean

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