Mise en contraste positif des composantes courtes en séquence UTE

Dans le cas particulier de la substance blanche d’apparence normale, le contenu d’un voxel est composé — dans le schéma le plus simple — d’eau (composante à T2 long) et de myéline

(composantes à T₂ court). Malheureusement, la composante majoritaire correspond à celle 78

de l’eau [39], qui est alors considérée comme contaminante dans le cadre de l’évaluation de la myéline en UTE.

La mise en contraste positive de la composante courte pourrait permettre d’établir d’une sélectivité directe du signal de la partie solide de la myéline, permettant par ailleurs une caractérisation plus aisée à analyser. De fait, une méthode de suppression des composantes contaminantes est le plus souvent incluse dans la séquence [210, 211, 191, 212]. Pour ce faire, la technique majoritairement employée dans la littérature consiste en l’emploi d’une impulsion d’inversion suivie d’un délai de récupération (IR) de façon à ce que l’aimantation longitudinale de la composante à éliminer soit nulle avant l’impulsion d’excitation [213].

Afin de compenser d’éventuelles inhomogénéités du champ RF, l’impulsion d’inversion est le plus souvent adiabatique [63]. Il a été présenté en section 3.16 l’impact non-trivial d’une telle impulsion sur les composantes à T2court. La simplification usuelle pour la quanti-

fication de paramètres de ces composantes consiste à considérer que celles-ci sont saturées ou partiellement inversées par le processus d’inversion adiabatique [47, 43, 186, 181] — aspect qui peut être simulé en fonction de T₂ en première approche par la résolution numérique des équations de Bloch.

Néanmoins, cette hypothèse permet de comprendre la génération du contraste pouvant être accompli : puisque les composantes d’intérêt sont partiellement atteintes par l’inversion et qu’elles disposent de leur propre dynamique de récupération longitudinale, il est fort probable qu’un contraste positif peut être généré sur les composantes courtes puisque la composante longue est supprimée.

Figure 3.24 – Schéma de séquence IR-UTE 3D.

La séquence IR-UTE 3D est illustrée en figure 3.24. Selon les équations de Bloch en séquence préparée, comme présentée en Annexe B, le délai optimal T I suivant l’impulsion

CHAPITRE 3. ÉTAT DE L’ART DE L’IMAGERIE DE LA MYÉLINE PAR RMN

d’inversion pour la suppression d’une composante à T₁ fixé est donné par :

T I = −T1ln

1 + Qe−(T R−Piτi)/T1

1 − Q

!

, (3.77)

où Q est l’efficacité de l’inversion, T R le temps de répétition, et P

iτi la somme des durées

d’application de champ RF. Cette quantité est calculée de façon à annuler l’équation (B.1) selon T I, et de façon à fournir une aimantation longitudinale nulle avant l’excitation.

En figure 3.25 est illustrée la technique pour la suppression de la composante longue de la substance blanche dans le tissu cérébral selon les paramètres suivants :

• Composante aqueuse de la substance grise : T₁/T2 = 1300/100 ms ;

• Composante aqueuse de la substance blanche : T₁= 1000 ms ;

• Composante solide de la substance blanche : T1/T2 = 500/0,1 ms (supposée mono-

composante pour l’illustration, et saturée par l’inversion) ;

• T R est suffisamment long pour que la récupération de M_z soit totale avant chaque inversion ;

• L’inversion des composantes longues est idéale Q = −1, et la composante courte est saturée (Q = 0), aboutissant à un T I pour la suppression du signal de la composante longue de la SB de 693,1 ms ;

Figure 3.25 – Évolution des aimantations Mz et Mxy pour la suppression du signal du T2-

long de la substance blanche en IR-UTE. À l’instant de l’excitation précédant la lecture, l’aimantation Mz de la composante longue de la SB est nulle, ne pouvant alors pas fournir de

FID exploitable. La composante courte de la myéline est supposée être saturée à l’issue de l’inversion (t = 0).

Il est à remarquer sur cette figure que la composante aqueuse de la substance grise n’est pas supprimée. De fait, le contraste n’est pas optimal concernant les composantes courtes dans le tissu imagé. Une technique permettant de s’affranchir du résidu de composante longue de la substance grise, ainsi que celle n’ayant pas été correctement supprimée dans la substance blanche, consiste en l’acquisition d’une FID refocalisée après la lecture de la première (T E₁), et à un temps d’écho plus long (T E2). Sous l’hypothèse d’une absence de phénomène de

diffusion moléculaire et de relaxation (T E₂  T₂) des composantes longues, le signal des composantes aqueuses dans les tissus est considéré comme identique à celui acquis à T E1.

Ainsi, une opération de soustraction en magnitude aboutit idéalement à un contraste exclusif des composantes courtes dans le tissu. Cependant, cette opération s’effectue au coût d’un RSB divisé d’un facteur √2 [211], et les phénomènes de relaxation et de diffusion lors de la refocalisation peuvent pondérer le signal refocalisé.

3.5.4 Signal UTE dans les tissus

À ce jour, peu d’études ont procédé à l’exploration du tissu myélinique en imagerie UTE — la majorité de celles-ci étant orientées vers la caractérisation de l’os cortical [214,215,216,39] avec une potentialité pour un usage substitutif à la modalité scanner à rayons X [217,218,188], le ménisque [219,220], le tendon [221,222,223,224], et le parenchyme pulmonaire [225,226,

227]. Les problèmes majeurs rencontrés sont d’une part liés à la faible densité de protons des tissus imagés, à la sélectivité du signal généré, aux difficultés inhérentes à la modalité 2D abordées en chapitre 4, ou encore aux temps d’acquisition prohibitifs en 3D.

Plusieurs études préliminaires ont permis de générer un contraste positif dans la SB à partir de séquences UTE comprenant un module d’inversion-récupération pour la suppression des composantes à T2 long [213,228,40], mais la sélectivité, même si vraisemblable, n’a pu

être établie. Ce n’est qu’en 2014 que Du et coll. [43] ont exploré cette sélectivité au travers d’expériences en relaxométrie T₂∗.

La quantification T₂∗ la plus aboutie de la SB est révélée dans l’étude de Boucneau et coll. [41] sur cerveau humain à 7 T, et à partir d’une séquence UTE à temps d’écho entrelacés. Il a pu être identifié trois composantes : une composante ultra-courte assimilée aux protéines et autres membranes lipidiques de la myéline (T₂∗ = 0,082 ms, ρ = 21,6%), une composante courte hors-résonance assimilée aux protons méthyléniques des membranes de la myéline (T₂∗ = 2,11 ms, ρ = 3,3%, ∆f = −1113 Hz), et une composante longue assimilée à l’eau (T₂∗ = 24,5 ms, ρ = 75,1%). Très récemment, une publication de ce même auteur a mené une étude similaire sur plusieurs sujets sains, confirmant ces résultats [42]. Cependant, au vu des observations in vitro [40, 14], un tel modèle à trois composantes demeure mal dimensionné et ne saurait résumer un tissu aussi complexe. De plus, les densités de protons assimilées entre la composante ultra-courte et la composante méthylénique ne concordent pas avec les quantifications de l’étude de Horch et coll. [14], dont les quantités relatives respectives seraient

CHAPITRE 3. ÉTAT DE L’ART DE L’IMAGERIE DE LA MYÉLINE PAR RMN

alors d’environ 5 % contre 40 % [14] en lieu et place de 21,6 % contre 3,3 %.

En raison du faible RSB et des restrictions des temps d’acquisition, la quantification du signal en relaxométrie est le plus souvent basée sur une moyenne dans une région d’intérêt. Du et coll. [43, 47] ont proposé une quantification T₂∗, T₁ et densité de protons (ρ_abs) de la composante courte de la SB sur sujet humain sain à 3 T, avec une moyenne de T₂∗ = 0,42 ms,

T1= 234 ms et ρabs= 4,1 %.

Par ailleurs, les études de Sheth et coll. [229] ont montré que le type d’excitation avait un impact sur l’estimation T₂∗ dans une poudre d’extrait de myéline bovine, pouvant être la conséquence des effets de relaxation durant l’excitation, et suggérant la nécessité de mod- èles d’estimation plus robustes. Dans cette même étude, le même modèle évalué dans un assemblage de lipides myéliniques anhydres montre un comportement mono-composante dont la valeur augmente selon la mise en suspension (D2O ou H2O). Ceci suggère que la présence

d’un solvant a un effet potentiel sur les interactions dipolaires dans la solution. D’autre part, l’expérience in vitro suggère qu’il est possible de détecter le signal de la MBP et des phospholipides en UTE.

Fan et coll. [45] ont confronté les constantes T₂∗ de cerveaux bovins ex vivo et d’un as- semblage comparable à la myéline dans le D2O, similairement aux expériences de Horch et

coll. [14] et Wilhelm et coll. [40]. Les valeurs T₂∗ sont similaires entre la SB et la SG (respect- ivement 209 µs et 259 µs après 32h d’immersion), et, du fait de la condition des densités de protons des composantes longues quasi-nulles, suggèrent une substitution majeure de l’eau dans le tissu après 24h.

L’accumulation d’ions ferriques a pu être observée dans les lésions en SEP [230], et la présence de cet agent paramagnétique implique un abaissement du T2local. Sheth et coll. [231]

ont mis en évidence la possibilité de générer un contraste positif dans ces lésions en séquence IR-UTE, alors que celles-ci sont hypo-intenses en séquences conventionnelles (FLAIR, T₁-w). He et coll. [232] ont analysé les images de phases acquises en séquence UTE 2D, et ont permis de générer des niveaux de rapports contraste-à-bruit dans la SB de l’ordre de 57,4 par rapport à la SG. Cette contribution est favorable pour la mise en contraste directe de composantes à T2 court.