Einstein fondateur de l'imagerie médicale? L'effet photoélectrique La relativité restreinte La diffusion 1905.
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Einsteinfondateur del'imagerie médicale?
L'effet photoélectriqueLa relativité restreinteLa diffusion
1905
L'effet photoélectrique
● Cellule photoélectrique
I
Nb e-I
0
I
Nb e-I
0
L'effet photoélectrique
● Explication de Einstein– Lumière (ondes électromagnétiques)
Photon E=h
– Interaction: phénomène élémentaire
un photon – un électron lié
K
L
M
h
½ mv2= h -EK
L'effet photoélectrique
Importance relative des effets
photoélectriqueCompton
création de paires
Pb
H2O
La radiographie
L'angiographie
Le scanner-X
http://medicalimages.allrefer.com/large/ct-scan-of-thebrain.jpg
Principes du scanner-X
● Accumuler les acquisitions pour distinguer les faibles différences de densité électronique
● Changer les angles de vue pour avoir une information sur la profondeur
● Reconstruire un objet à partir de ses projections 2D.
Reconstruction des images
http://www.fmrib.ox.ac.uk/~peterj/lectures/hbm_1/img018.GIF
Rétroprojection
Les différentes méthodes●Analytique●Rétroprojection filtrée●2DFT
http://mitpress.mit.edu/e-journals/Videre/001/articles/Pennec/PennecVidereDemo/CT.slice.large.gif
http://www.bocaradiology.com/cases/neuro/perfusion/CT%20perfusion%20axial%20RMCA.jpghttp://www.med.harvard.edu/JPNM/TF00_01/Oct3/CT.gifhttp://www.wfubmc.edu/interneuro/angiosarcct2a.jpg
Scintigraphie
http://info.med.yale.edu/intmed/cardio/imaging/techniques/scintigraphy/graphics/scintigraphic_imaging.gif
Principes de la scintigraphie
● Un isotope de choix
99mTc: période 6h 140 keV (123I,201Tl...)
● Des molécules spécifiques d'une fonction– MDP métabolisme osseux– ECD perfusion cérébrale ...
● Un espoir: l'immuno-radio-thérapie anticorps spécifique d'une pathologie marqué
par un isotope émetteur
Scintigraphie
La relativité La relativité restreinte permet d'expliquer la transformation
masse - énergie.● Certains isotopes se désintègrent en
émettant un positron (anti-particule de l'électron)
11C de période 20 min 0.96 MeV13N de période 10 min 1.19 MeV15O de période 2 min 1.72 MeV18F de période 110 min 0.635 MeV
La relativité
e+
e-
511 keV511 keV
Les deux photons sont détectés par effet photoélectriquedans une caméra à coïncidence ou à temps de vol.
Avantage: ne nécessite plus de collimateur pour définirla direction du rayonnement
Tomographie par Emission de Positrons
● Théoriquement toute molécule biologique peut être marquée par un 11C– Pb de période– Pb de radiochimie
● Un marqueur de choix
18F Deoxy Glucose marqueur du métabolisme énergétique
Tomographie par Emission de Positrons
http://www.cineactive.com/portfolio/nobel/images/hi_res/pet_2_Thumbz_hi_res.jpg
http://nuclearmedicine.stanford.edu/research/images/PET_CT.jpg
Tomographie par Emission de Positrons
http://www.pet.rh.dk/site/eng/Images/hodgkincorfoer.jpg
Tomographie par Emission de Positrons
http://www.drugabuse.gov/Newsroom/03/PETSmoking.jpg
La relativité (suite)
E= c ( p2 + m0
2 c2 )1/2
E = m0c2 + p2/(2m
0) – p4/(8m
03c2) +.....
m=m0
(1-v2/c2)-1/2
La relativité restreinte indique que lorsqu'uneparticule chargée se déplaçant à la vitesse v=p/m
0 dans un champ électrostatique E
il apparaît dans le référentiel de la particuleun champ magnétique:
B' = -1/c2 v EB' = K p r
La relativité
Application en mécanique quantique
La relativité restreinte fait apparaître la nécessitéd' un moment cinétique intrinsèque de la particuleP R = -S qui vaut -1/2 h pour l'électron, le protonet le neutron.
D'où la description d'une particule comme un point matériel défini par ses trois coordonnéesspatiales (x,y,z), ses coordonnées de spin en fait S2 et S
z , sa masse au repos (m
0) et sa charge .
La résonance magnétique nucléaire
Onde électromagnétique radiofréquence produite par une bobine
alimentée par courant alternatif 0 = B0
E+
0 = B0
E-
spin H = ½ d'où 2 états énergétiques tels que E- - E
+= h0
Noyaux d'hydrogène des molécules d'eau placés dans un champ magnétique B
0
ASPECT COLLECTIF
B0B0
RESULTANTE M0
B0AIMANTATION Nucléaire
A l'équilibre M0 somme des
moments magnétiques nucléaires est dirigé suivant B
0
B0
B1
90°
B0
SIGNAL DE PRECESSION LIBRE
0
M0
M0
Gradients de champ magnétiquedans les 3 directions de l'espace
Localisation spatiale du signal RMNImagerie RMN
Gradient de lecture
appliqué pendant l'acquisition du signal RMNdisperse les fréquences en fonction de x.
OA B
B0
B0 -
B0 +
x
B0B0 -
B0 +
y
Gradient de Phase
Appliqué perpendiculairementà la direction de lecture eten dehors de la période d'acquisitiondisperse les phases en fonction de y.
Gradient de sélection de tranche
Impulsion sélective:
pendant un gradient suivant z
TF
zz0
i
i
i
Excitation RF
Gs
Gr
Gp
180°90°
Enregistre RF
Séquence d'imagerie (spin écho)
Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire
Le sujet est placé dans unchamp magnétique intense
La tête du sujet est placée dans une antenne qui émet
et reçoit des ondes radio
Méningiome
Angiographie RMN
http://www.oitamed.ac.jp/hospital/inform/gazo/mri/mra.jpg
http://www.zensharen.or.jp/khbb/mra.jpg
IRM fonctionnelle• Définition
image de l'activité cérébrale obtenue par RMN
• Principe:Augmentation du signal RMN lors de la réaction d'hypervascularisation dans les zones cérébrales actives.(Blood Oxygen Level Dependent = BOLD)
IM avec support IM avec support tactilo-tactilo-kinesthèsiquekinesthèsique
VOYANTS AVEUGLES
AIRES COMMUNES
Frontale et Aires somatosensorielles
Aire pré-motrice Pariétale et Aires visuelles associatives
La diffusion
● Théorie classique
Loi de Fick ; solution: c= f(x2/4Dt)● Marche au hasard
Probabilité de trouver une molécule qui fait des sauts de longueur en un temps ; solution: P = f(x2/2t
d'où l'équation de Einstein-Smoluchowski
D = oux2D t
Importance de la diffusion en médecine nucléaire
Pour rejoindre sa cible le traceur est d'abord véhiculé par le sang mais du capillaire à la cellule le transfert se fait par diffusion.
C 'est phénomène lent:
diffusion du glucose dans l'eau
D= 510-10 m2s-1
100 nm en 1 s ; 1 cm en 1 jour
La RMN est une méthode de choix pour mesurer la diffusion
● Principe– Écho élimine les hétérogénéités de
l'aimant– Les molécules d'eau qui diffusent entre le
90° et l'acquisition ne participent plus au signal RMN
– Pour augmenter la sensibilité à la diffusion, on applique un gradient intense.
Excitation RF
Gs
Gr
Gp
180°90°
Enregistre RF
Gdiffusion
G
Séquence d'imagerie de diffusion
Matière Blanche (MB)Schéma de la structure de la myélineDiffusion de l’eau préférentiellement lelong des microtubules
IMAGERIE DU TENSEUR DE DIFFUSION
NeurofilamentMicrotubule
Membrane Axonale
Myeline
Axone
//
Formation de la gaine de myeline
MYELINISATION DU SYSTEME NERVEUX CENTRAL
EmbryogénèseProliférationMigration neuronaleDifférenciation AxonogénèseDendritogénèseSynaptogénèseMyelinisation
naissance
Les modèles animaux des maladiesde la myéline
1- Les mutations spontanées des gènes de l’oligodendrocyte
2- Encéphalomyélite allergique expérimentale (EAE)
3- Les infections virales: (TMEV, MHV)
4- Les substances chimiques
5- Les approches transgéniques:
Introduction d’un gène à toxicité inductible HSV1-TTK Expression ciblée du HSV1-TTK dans les oligodendrocytes
- Explorer in vivo les modifications structurales de la myéline dans les cerveaux de souris MBP-TTK
- Etudier les processus de dysmyelinisation et remyelinisation
Objectif
90
Amplitude gradient: G= 140mT/mmDurée:=5800 µs=20 ms
FOV: 25 mm ln(M)=ln(M0) - 2 G2 2 (- /3)D
TR: 1500 msTE: 35 msCoupe Sagittale: 1 mm
2h 30min
METHODOLOGIE
METHODOLOGIE
Acquisition d’images = mesure paramètres tenseur de diffusion 1 référence (IMAGE SANS GRADIENT)
+ 6 directions du gradient de diffusion
Z Y
ZY
X
YX ZX
= (2+ 3) /2 :diffusion radiale (transverse sur les fibres)
1 0 0 0 2 00 0 3
e1
e2
e3
Tenseur de diffusionDxx Dyx Dzx Dxy Dyy DzyDxz Dyz Dzz
D =Diagonalisation
//= 1 > 2, 3: diffusion axiale (parallèle)
1~ 2 ~ 3 diffusion isotrope
1>> 2 ~ 3
1 > 2 > 3
diffusion anisotrope
Gauche-Droit (1)
Dorso-Ventral(2)
Antéro-Posterieur (3)
Témoin
Traitée
0
2
x10
-3m
m2/s
Gauche-Droit (1)
Dorso-Ventral (2)
Antéro-Posterieurr (3)
Résultats
Témoin Traitée<D>
FA
<D>
FA
0
1
0
1
x10
-3m
m2/s
Résultats
15 Jours
témoin
Tractographie
CC de souris
traitéeCC de souris
Conclusion
● Einstein peut clairement être considéré comme l'un des fondateurs de la compréhension de l'interaction des ondes électromagnétiques avec la matière donc de l'imagerie médicale par les ondes électromagnétiques.
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