Cours 6 : IRM de diffusion Flashcards
L’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd)
L’IRMd est une modalité de neuroimagerie qui nous permet d’étudier les fibres de matière blanche. Nous allons donc pouvoir examiner les connexions entre différentes régions, autant interhémisphériques (i.e., fibres de matière blanche voyageant d’un hémisphère à l’autre), qu’intrahémisphériques (i.e., fibres de matière blanche voyageant au sein d’un même hémisphère).
Principes physiques et physiologiques
En IRM de diffusion, nous nous intéressons à la manière dont l’eau diffuse dans le cerveau. En examinant comment l’eau se diffuse, nous pouvons apprendre des informations sur le milieu de diffusion, dans notre cas, le cerveau ! Plus précisément, l’IRMd nous permet d’en apprendre davantage sur les propriétés de la microstructure des fibres de matière blanche. Pour un exemple concret de diffusion, nous pouvons imaginer ce qui se passe lorsque nous laissons tomber une goutte d’encre dans un verre d’eau. L’encre va au cours du temps se diffuser dans l’eau, colorant l’eau petit à petit, jusqu’à ce qu’elle devienne colorée de manière homogène. Les molécules d’eau et d’encre entrent en collision dans des directions aléatoires, et suivent un processus de marche aléatoire appelé mouvement Brownien.
Mouvement Brownien
Illustration de mouvement Brownien d’une molécule. Le point de départ est indiqué par un cercle rouge. Les trajectoires de couleurs correspondent à des marches aléatoires simulées suivant un mouvement Brownien. Les points bleus indiquent le point d’arrivée de chaque marche.
Diffusion isotrope et anisotrope
Diffusion isotrope vs anisotrope. Chaque rond bleu représente le point d’arrivée d’une molécule d’eau selon une simulation de marche aléatoire avec un processus Brownien en 3D. Sur le graphe de gauche, la vitesse de diffusion des molécules d’eau est identique dans toutes les directions. Sur les graphes du milieu et de droite, la vitesse de diffusion est supérieure selon l’axe x que selon y et z.
Diffusion isotrope et anisotrope
Le déplacement des molécules d’eau dans un milieu suit un mouvement Brownien. Si le milieu a des caractéristiques similaires dans toutes les directions, on parle de milieu isotrope. Le graphe de gauche de la Fig. 65 représente l’ensemble des points d’arrivée de marches aléatoires dans un tel milieu isotrope. On remarque que les molécules se répartissent approximativement dans une sphère. Que se passe-t-il si la diffusion est plus rapide dans une direction donnée, par exemple l’axe x? On parle alors de milieu anisotrope. Sur le graphe du milieu, on voit que la forme remplie par les molécules s’allonge, et ressemble plus à un ballon de football américain qu’à une sphère (ou, en termes mathématiques, une ellipse). Plus la différence de vitesse de diffusion sur x grandit par rapport aux directions y et z, et plus la forme s’allonge (graphe de droite).
Diffusion et fibres de matière blanche
Dissection cérébrale illustrant l’organisation de la matière blanche cérébrale en faisceaux de fibres. Bas droite: schéma illustrant la diffusion de l’eau contrainte par les fibres. Le point rouge correspond à l’origine de marches aléatoires, dont les terminaisons sont indiquées par les points bleus.
Diffusion et fibres de matière blanche
Les axones des neurones viennent contraindre la diffusion de l’eau, les molécules d’eau ne peuvent donc pas se déplacer librement dans toutes les directions. Le profil de diffusion des molécules d’eau suit alors une forme anisotrope, comme on vient de le voir en Fig. 65. L’eau diffuse plus facilement dans la direction parallèle aux fibres. La diffusion est donc anisotrope et le coefficient de diffusion sera alors plus élevé dans cette direction parallèle, voir Fig. 66. Alors, en sachant comment diffuse l’eau, nous pouvons déterminer la configuration des axones. Le phénomène de diffusion dépend de la structure du tissu! C’est le principe physiologique à l’origine des mesures en IRMd.
Acquisition IRMd
Volumes IRM pondérées en diffusion. Chaque coupe axiale représente un volume T2* pondérée en diffusion pour une direction différente.
Acquisition IRMd
En IRM de diffusion, nous allons prendre des images selon plusieurs orientations. Ce sont des images pondérées en T2* que nous acquérons en IRMd. La séquence appliquée rend l’image sensible à la diffusion de l’eau, dans une direction donnée. Pour un voxel donné, nous allons prendre des mesures dans différentes directions, qui vont nous dire si l’eau a beaucoup diffusée dans cette direction là, un peu comme les points bleus. Pour un volume IRMd, la valeur en un voxel nous dit si le point bleu est loin ou pas du point rouge, pour une direction que l’on a sélectionnée.
Tenseur de diffusion: Le modèle du tenseur
La diffusion des molécules d’eau au cours du temps peut se visualiser comme un nuage de points. À cause des contraintes de l’environnement, notamment les axones, ce nuage prend la forme d’un ballon de rugby (haut, gauche). La forme du nuage peut être approximée avec un modèle de tenseur (bas à gauche). Les paramètres principaux de ce modèle sont les directions principales de diffusion
, ainsi que les valeurs de diffusion associées à ces directions.
Tenseur de diffusion: Le modèle du tenseur
À partir des simulations ci-dessus, il est intuitif d’imaginer la diffusion de l’eau comme un ballon, plus ou moins allongé. Mathématiquement, cela se formule avec un tenseur de diffusion, ou modèle Gaussien, voir Fig. 68. Pour estimer la forme du ballon dans chaque voxel, nous utilisons les différentes valeurs de diffusion obtenues pour chaque direction d’acquisition. Si la diffusion est plus grande selon une certaine direction, notre ballon ressemblera plutôt à un ballon de rugby. Si la diffusion est semblable dans toutes les directions d’acquisition, nous obtiendrons plutôt un ballon de soccer.
Tenseur de diffusion: Imagerie par tenseurs de diffusion
Tenseurs de diffusion estimés sur une coupe axiale (gauche) et zoom sur une portion de la coupe (droite). La couleur de chaque tenseur code pour la direction principale de diffusion, ainsi que l’anisotropie fractionnelle de chaque tenseur. Les tenseurs les plus brillants sont fortement anisotropes, c’est-à-dire que la direction principale de diffusion est nettement plus forte que les directions transverses.
Tenseur de diffusion: Imagerie par tenseurs de diffusion
L’imagerie par tenseurs de diffusion (diffusion tensor imaging, DTI) est l’une des premières techniques d’analyse qui a vu le jour en IRM de diffusion. Pour estimer la forme de notre ballon, nous avons besoin d’au moins six directions d’acquisition: xy, xz, yz, -xy, -xz, y-z. C’est en combinant les images dans ces six directions que nous pouvons estimer notre tenseur de diffusion (notre ballon). Comme nous avons ces mesures pour chacun des voxels, nous pouvons créer un volume cérébral où la valeur de chaque voxel est un tenseur (ballon), voir Fig. 69.
Tenseur de diffusion: Caractéristiques des tenseurs
Cartes dérivées de tenseurs en IRM de diffusion: anisotropie fractionnelle (gauche), diffusivité moyenne (milieu) et direction principale du tenseur (droite). Pour la direction principale, l’axe médial-latéral (x) est codé en rouge, l’axe antérieur-postérieur (y) est codé en vert, et l’axe ventral-dorsal (z) est codé en bleu.
Tenseur de diffusion: Caractéristiques des tenseurs
Il est possible de résumer certaines caractéristiques importantes des tenseurs de diffusion à l’aide d’une unique mesure, comme l’anisotropie fractionnelle et la diffusivité moyenne (voir définitions ci-dessous). On extrait donc une mesure par voxel, ce qui peut se représenter avec une carte cérébrale, de manière similaire à ce que l’on a vu avec les images pondérées en T1 ou en T2, voir Fig. 70. Il est aussi possible de créer une image en couleurs, qui code pour la direction principale de diffusion.
Tractographie: Tractographie streamline
Fibres reconstruites par une approche streamline déterministe, qui consiste à tracer une fibre en suivant la direction principale de chaque tenseur de manière itérative, à partir de l’ensemble des points dans la matière blanche sur une coupe axiale (gauche) et zoom sur une portion de la coupe (droite). La couleur de chaque fibre code pour la direction principale de diffusion le long de la fibre.
Étapes de prétraitement
Carte d’anisotropite fractionnelle (gauche) et masque de la matière blanche obtenue par seuillage (droite).
Tractographie: Croisement de fibres
Illustration du problème de croisement de fibres, illustré à gauche. La diffusion de l’eau dans chaque fibre est associée à un tenseur qui pointe dans une direction différente (milieu). Lorsqu’on essaye d’approximer la diffusion dans le croisement avec un seul tenseur, on observe un tenseur isotrope (droite)
Estimation de fODF sur une coupe axiale (gauche) et zoom sur une portion de la coupe (droite).
Tractographie : Faisceaux de fibres
llustration de trois faisceaux de fibres: les radiations optiques (OR), le faisceau arquée (AF) et le faisceau occipital vertical (VOF). Les faisceaux sont présentés sur différentes vues d’une dissection (A, B, D), ainsi qu’à l’aide d’une dissection virtuelle (C).
