Trois facteurs intrinsèques au milieu imagé (T1, T2 et la densité de protons, ) conditionnent le signal obtenu
(Figure 18) [39] la modulation des paramètres d’acquisition tels que le temps d’écho, le temps de répétition et l’angle de bascule. Ceux-ci permettent d’amplifier les effets de contraste entre des tissus en se basant sur les différences intrinsèques de T1, T2 et .
Figure 18: Coupe d’IRM du cerveau d’un patient sain
prise en écho de spin dont les paramètres acquisitions ont été modifiés afin
d’obtenir une image pondérée en T1 (gauche), en T2 (centre), ou en densité de protons ( droite). (Figure tirée de Hess, 2008 [39])
Les temps de répétition (TR) et d’écho (TE) sélectionnés peuvent accentuer la distinction entre deux tissus possédant des des T1 et des T2 différents (Tableau 3) [33]. Malheureusement, les intensités intrinsèques du signal entre des tissus voisins sont souvent similaires. Afin d’accentuer le contraste entre deux tissus, les radiologues utilisent souvent des agents de contraste (Section 2.2).
Pondération désirée Temps de répétition (TR) (ms)
Temps d’écho (TE) (ms)
T1 Court (400 à 600 ms) Court (5 à 30 ms)
T2 Long (1500 à 3000 ms) Long (60 à 150 ms)
Densité de protons ( Long (1500 à 3000 ms) Court (5 à 30 ms)
Tableau 3 : Paramètres d’acquisition typiques en écho de spin d’images avec différentes pondérations. (Tableau tiré de Bushberg, 2002 [33])
2.1.9 Séquences d’IRM utilisées pour le suivi de cellules marquées d’agents
de contraste
Il existe de nombreux types de séquences d’IRM ainsi que deux familles de séquences ont été utilisées dans le cadre de ce travail de recherche : l’écho de spin (SE) et l’écho de gradient (GRE). Elles sont des exemples
des deux grandes familles de séquences, celles ayant une excitation par tranche (écho de spin; section 2.1.9.1) et celles par volume (gradient d’écho, section 2.1.9.2).
Type de
Séquence Autres séquences possibles Principes Avantages Inconvénients
Écho de spin (SE)
- Écho de spin rapide (FSE) - Écho de spin ultra-rapide
(Haste) Séquence de base pouvant accentuer différents types de contraste : T1, T2 et DP Présence d’impulsion de rephasage Excellent contraste Lent (surtout en pondération T2) Écho de gradient (GRE)
- Écho de gradient avec destruction de l’aimantation transversale résiduelle (ultrafast gradient echo) - Écho de gradient avec état
d’équilibre de l’aimantation transversale résiduelle (Steady state gradient echo) - Écho planar (EPI)
Angle α est inférieur à 90° TR court Absence d’impulsion de rephasage Rapide Pondération T2* au lieu de T2
Tableau 4 : Avantages et inconvénients des différents types de séquences utilisées
Afin d’être en mesure de les distinguer, il sera question de leurs différentes caractéristiques dans les deux sections suivantes. Ces caractéristiques principales permettront, par la suite, de sélectionner correctement la séquence à utiliser en fonction du type d’image que l’on veut acquérir, du temps disponible pour l’acquisition et du contraste que l’on souhaite mettre en évidence (comparaison au Tableau 4).
2.1.9.1 Séquences acquérant les images par tranche : l’écho de spin
La première séquence utilisée dans ce mémoire est la séquence d’écho de spin. Il s’agit d’une des séquences ayant été le plus utilisée dans la littérature afin de caractériser les propriétés des agents de contraste pour l’IRM [12, 40]. En effet, l’utilisation de séquence d’écho de spin optimisée permet d’obtenir des images ayant un excellant rapport signal sur bruit en quelques minutes seulement. Cette séquence est formée d’une impulsion d’excitation (90°) et d’une ou plusieurs impulsions de rephasage (180°). De manière générale afin d’obtenir une pondération T1, les temps de répétition (TR) sont inférieurs ou très près de 600 ms tandis que les temps d’écho (TE) sont beaucoup plus courts, soit environ 10 ms (voir section 2.1.8 pour plus de détails sur ces facteurs). La plus grande limitation des séquences d’écho de spin est le temps nécessaire entre chaque acquisition en phase (TR). Un TE court permet de maximiser le signal obtenu. Cependant il est important de toujours minimiser le TE afin d’éviter l’introduction de contraste pondéré en
T2. Pour ces raisons, l es séquences d’écho de spin utilisées dans le cadre de ces travaux ont toutes des TE/TR de 9.6 ms/718.5 ms. Pour davantage d’informations sur la séquence d’écho de spin, consultez l’annexe B.1.
2.1.9.2 Séquences acquérant les images par volume : l’écho de gradient
La seconde séquence modèle est celle de type gradient d’écho. Cette séquence d’imagerie se distingue de l’écho de spin par le fait que l’écho est créé à partir de l’application d’un gradient. Cette technique permet de recueillir un écho plus rapidement, et donc de diminuer le temps d’acquisition. Grâce à ces modifications, les TR et les TE employés peuvent être réduits de façon importante. Le principal intérêt de l'écho de gradient sera donc le gain de temps. Lorsque l’on souhaite avoir une pondération en T1, l’état d’équilibre, ou saturation tissulaire, est problématique. Afin de résoudre ce problème, on emploie des gradients et/ou des impulsions RF éliminant l’aimantation transverse résiduelle. Ainsi, la pondération de l’image va dépendre de deux facteurs :
− de l’angle de bascule : plus l’angle est grand, soit entre 30 et 90°, et plus on pondère en T1; − du TE : plus il est court et plus on élimine la pondération en T2*.
Pour ces raisons, la séquence de gradient d’écho utilisée dans le cadre de la visualisation des cerveaux de souris ayant subi une implantation de cellules marquées avec des nanoparticules d’oxyde de gadolinium (chapitre 6) a un angle de bascule de 30° ainsi qu’un TE de 10 ms. Pour davantage d’informations sur la séquence d’écho de gradient, consultez l’annexe B.2.
2.2 Les agents de contraste
Ces agents facilitent la visualisation du système vasculaire, et des pathologies caractérisées par un bris du système vasculaire. En 2007, approximativement 50 % des examens cliniques d’IRM [41] requéraient l’emploi de produits de contraste afin d’augmenter le signal de certains tissus, généralement administrés par voie intraveineuse. Cette procédure permet d’améliorer la visualisation des structures anatomiques ou de pathologies, facilitant le diagnostic en IRM clinique. L’utilisation de produits vasculaires permet d’améliorer la sensibilité de l’IRM en augmentant le signal. Ils permettent de réduire les T1 et T2 de certains tissus vascularisés, augmentant le contraste entre ces derniers et facilitant ainsi le diagnostic de plusieurs pathologies
Il existe deux classes distinctes d’agent de contraste, les agents à effet de contraste positif (augmentation du signal local) ainsi que ceux à effet négatif (perte du signal local). Si les agents engendrent plutôt un raccourcissement du temps T1, il s’agit souvent d’agents paramagnétiques (« positif »; Section 2.2.1). Les
agents superparamagnétiques et ferromagnétiques ont un fort impact sur les images pondérées en T2/T2* et sont appelés « agents de contraste négatifs » (Section 2.2.2). L’influence d’un agent de contraste sur le signal en IRM dépend donc de son pouvoir de modification sur les temps de relaxation des protons de son milieu.
2.2.1 Agents de contraste « positifs »
Cette première classe d’agents de contraste accélère davantage la relaxation longitudinale (T1) que la relaxation transverse (T2). Ces produits possèdent un rapport de la relaxation transverse sur la relaxation longitudinale (r2/r1) habituellement inférieur à cinq. Tel que mentionné précédemment, plus le rapport est près de l’unité, et meilleur est l’agent de contraste positif (voir section 3.1.3.2.3) [42]. L’accélération de la relaxation longitudinale résulte d’interactions dipôle-dipôle entre les électrons non appariés des ions paramagnétiques de l’agent de contraste positif et les protons des noyaux d’hydrogène du milieu (Figure 19) [43].
Figure 19: Interactions dipôle-dipôle entre un ion paramagnétique et les protons d’hydrogène du milieu de l’agent de contraste et les protons d’hydrogène des molécules d’eau.
(Figure tirée de Bonnet, 2009 [43])
Les ions Gd3+ et Mn2+ possèdent un fort moment magnétique en raison de leur grand nombre d’électrons célibataires. Les électrons non appariés de l’orbital e 4f du Gd3+ ou ceux de l’orbitale 3d du Mn2+, leur confèrent une forte susceptibilité magnétique (respectivement de + 185 000 x 106 cm3/mol et de + 511 x 106 cm3/mol). En bref, ces éléments font partie des éléments stables les plus paramagnétiques du tableau périodique [44]. Cette forte présence d’électrons célibataires provoque une relaxation accrue des protons d’hydrogène des molécules d’eau. Il est donc particulièrement intéressant de développer des agents de contraste à base de ces deux métaux.
Les effets de contraste obtenus dans une image proviennent de deux séries de paramètres distincts (Section 2.1.8) soit les propriétés relaxométriques et d’hydratation des tissus (T1,T2, ρ) ainsi que des paramètres
d’acquisition de l’image déterminés par l’expérimentateur (TR, TE). La présence d’agents d e contraste modifie les valeurs de T1 et T2 des tissus ainsi que le champ magnétique local. Leur mécanisme d’action se fait via le nuage électronique des agents (sauf pour la relaxation en T2*) [38]. Les taux de relaxation observés dans un solvant correspondent à l’inverse du temps de relaxation (1/T1 ou 1/T2). Ce taux (1/Ti (obs) où i = 1 ou 2) correspond à la somme du taux de relaxation sans agents de contraste (1/Ti(d)) avec le terme en présence d’un agent (1/Ti (p)) (Équation 6).