Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de...
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Imagerie par Résonance Magnétique Chrit Moonen
UMR 5536CNRS
University Bordeaux 2
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♦ Bases physiques de l’IRM
♦ Place de l’IRM dans la radiologie
♦ Le rôle de la physique dans quelques développements récents
♦ Imagerie des gaz pour la ventilation pulmonaire ♦ Imagerie de la température pour les nouvelles thérapies
anticancéreuses
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Moment magnétique
proton
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B
E
0
Pour les noyaux, ces énergies sont quantifiées.
Proton :2 valeurs de l’énergieE = - 1/2 γ h/2π BE = 1/2 γ h/2π B
Energie d’un moment magnétique plongé dans un champ magnétique : E = -µ B
parallèle
antiparallèle
Β0
Parallèle
Anti-Parallèle
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♦ Précession
Larmor Equation ω=γΒ0
Β0
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MagnétisationΒ0 Β0
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Résonance: Absorption d’énergie d’un champ magnétique oscillant avec la fréquence Larmor
z
x
y
Mz
B1
Champ B1 additionnel avec ω(B1)=ω(précession Larmor)
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Réception des signaux RMN
z
x
yBobine de réception
Signal (µV)
temps
0-1
1
On mesure un signal en fonction du tempsTFàune fréquence=précession Larmorω=γΒ0
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Position r
Cha
mp
mag
nétiq
ue
Β=Β0 +Gr
Sign
al (µ
V)
temps
0-1
1
0-1
1
r2
ω=γ(Β0+Gr1)
ω=γ(Β0+Gr2)r1
Les bases de l’IRM: encodage spatial en utilisant des gradients (faibles) du champ magnétique
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Sign
al (µ
V)
temps
0-1
1
0-1
1ω=γ(Β0+Gr1)
ω=γ(Β0+Gr2)
Superposition des sinusoides Fréquence=Signal spatial
TF
Distance r
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COMMENT OBTIENT ON UNE IMAGE:
Evolution sous GxEvolution sous Gx
Evolution sous Gy
XX
YY
1)Acquisition du Plan « signal vs temps » en fonctiondes gradients du plan
2)Double transformation de Fourier
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♦ Sélection de coupe
Excitation par B1 avec une forme sinc
B1
fréquence
Position r
Fréquence Larmor
FT
coupe
bande passante limitée
En présence de G
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Une séquence IRM de base
RF
Gz
Gy
Gx
Evolution sous GxEvolution sous Gx
Evolution sous Gy
temps
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Une séquence IRM de base
RF
Gz
Gy
Gx
Sélection de coupe
Codage de phase
Lecture
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COMMENT OBTIENT ON UNE IMAGE:
Temps (Gx)Temps (Gx)
Phase (Gy)
XX
YY
1)Acquisition du Plan de Fourier
2)Double transformation de Fourier
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Une séquence IRM de base
RF
Gz
Gy
Gx
Sélection de coupe
Codage de phase
Lecture
Temp (ms) 0 10 20 30 40 50 60
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Le contraste excellent dans les images IRM
♦ Concentration de l’eau
♦ Temps de relaxation T1 et T2
♦ Agents de contraste, qui accélèrent la relaxation des protons de l’eau
♦ flux
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Relaxation à cause des interactions avec des macromolécules
z
x
y
Mxy
Perte de cohérence de phase
Constante de temps: T2(100 ms)
Mz
Temps (ms)0 100 200 300 400 500
Retour Mz vers équilibre:
Constante de temps: T1
(1s)
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IRM clinique1,5 Tesla
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Turbo Spin EchoTurbo Spin Echo
TR = 4sTR = 4sTEeff= 120 ms TEeff= 120 ms
4:52 minutes4:52 minutes6 acq 6 acq 3 mm3 mm
FoV =175*350 mmFoV =175*350 mmmatrice 180*512matrice 180*512
Turbo facteur =15Turbo facteur =151.51.5 TT
FAST SE - TSE APLLICATIONS CLINIQUES
Rachis - Myelographie
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Turbo Spin EchoTurbo Spin Echo
TR = 4.5sTR = 4.5sTE eff = 96 msTE eff = 96 ms
8:12 minutes8:12 minutes1 acq1 acq2 mm2 mm
FOV =180 mmFOV =180 mmMatrice 378*512Matrice 378*512
Turbo facteur = 7Turbo facteur = 71.5 T1.5 T
FAST SE - TSE APLLICATIONS CLINIQUES
Conduits auditifs
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Turbo Spin EchoTurbo Spin Echo
TR = 2.4sTR = 2.4sTI = 780 ms TI = 780 ms
TE eff= 57 ms TE eff= 57 ms 19 seconds19 seconds
1 acq 1 acq 8 mm8 mm
FOV =280*320 mmFOV =280*320 mmmatrice =120*256matrice =120*256
Turbo facteur = 15Turbo facteur = 151.5 T1.5 T
FAST SE - TSE APLLICATIONS CLINIQUES
Imagerie cardiaque
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TOFTOF3D PC3D PC
FLASH - SPGRAngiographie MR (ARM)
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Cas du proton B = 1,5 Tesla ===> P = 4. 10-6 = 4 ppm
Sur 1 million de noyaux :500 002 possèdent un moment magnétique ↑499 998 possèdent un moment magnétique ↓
Seuls 4 noyaux participent à la formation du signal RMN !!!
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Hyperpolarisation
♦ la ventilation pulmonaire
♦ Problemes: concentration des gaz: polarisation insuffisante
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Comment augmenter la polarisation nucléaire ?
P ≈ γ (h/2π) Β / 2 kΤ
Refroidir l ’échantillonAugmenter le champ magnétiqueUtiliser le pompage optique
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Principe du pompage optique
Procédé qui permet de modifier les valeurs des populations des niveaux d ’énergie.
Ce procédé utilise une lumière mono-chromatique (laser par exemple).
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Les techniques de pompagesoptiques par laser
Le pompage sur les niveaux électroniques puis transfert de la polarisation sur les noyaux (interaction hyperfine)
2 méthodes : pompage direct de l’atome d’héliumpompage indirect par le rubidium
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Exemple : pompage optiqued’atomes de Rubidium
-1/2+1/2
-1/2+1/2
laser 795 nmσ+
Atome de Rb
52S1/2
52P1/2
-1/2+1/2
-1/2+1/2
-1/2+1/2
-1/2
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Transfert de moment cinétique de l’atome deRubidium au noyau de gaz rares au cours de collisions
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Pourquoi les gaz rares ?
Gaz monoatomiques qui interagissent peuavec leur environnement ==> l ’aimantation nucléaire interagit peu avec l’environnement extérieur (couplages faibles avec les autres spins nucléaires)Le temps de relaxation T1 qui caractérise le retour à l ’équilibre thermodynamique est très long ( > 100 heures)
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Pourquoi L’hélium3 et le xénon129 ?
Noyaux de spins 1/2 (3/2 néon21)
T1 hélium3 > 100 heuresT1 xénon129 > 1 heureT1 eau = quelques secondes
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Taux de polarisation obtenus
Hélium3 : 50 % méthode directe20 % méthode indirecte
Xénon129 : 10 % méthode directe
Polarisation 3He = 100000 Polarisation 1H !!Densité spin (eau) = 2500 densité spin (gaz)Signal gaz rares > signal eau
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Examens cliniques du poumon
♦Examen morphologique :-Scanner à rayons X-Bonne résolution spatiale
♦ Examen fonctionnel:-Spirométrie (pas d’information régionale)-Scintigraphie γ (image de faiblerésolution spatiale, technique invasive)
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Ventilation pulmonaire, Université de Mayence 1996Ventilation pulmonaire, Université de Mayence 1996
Proton Hélium
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Inspiration Apnée Expiration
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Images Coronales 256*256Images Coronales 256*256
RESOLUTION temporelle : 100 mspixel =195 µmspatiale ~ 300 µm
FOV = 42 mm40 respirations120 cm d ’ Hélium3durée acq.= 1 min
3
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Images Axiales 512*512Images Axiales 512*512
RESOLUTION temporelle : 50 mspixel =72µmspatiale ~ 300 µm
Coupe 16 mmFOV = 37 mm 80 respirations960 cm of He3durée acq.= 8 min
3
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Images de ventilationImages de ventilation haute résolutionhaute résolution
Université de Duke Université de Duke 20002000
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Non fumeur fumeurMainz University
Virginia University
![Page 41: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/41.jpg)
Laboratoire de RMNUMR CNRS 5012
Virginie Callot David DupuichVasile StuparYannick Crémilieux
CREATISUMR CNRS 5515
Emmanuelle CanetYves Berthezène
![Page 42: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/42.jpg)
Monitorage des thermothérapies par IRM:principes et méthodes
![Page 43: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/43.jpg)
Cancer : cause majeure de décès (Foie)
Chirurgie
ChimiothérapieRadiothérapie
Cryothérapie
AlcoolisationTumeur
Hyperthermielocalisée
UltrasonsFocalisés
Radiofréquences Laser
Micro ondes
Tissu sain
Répartition T°: diffusion, perfusion, T° interface, …??
![Page 44: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/44.jpg)
MRI for guidance of local hyperthermia
♦ Avantages de l’IRM:♦ Méthode non-invasive♦ contraste excellent pour tissus mous (détection de tumeur
/charactérisation)♦ Positionnement de la source de chaleur♦ Cartographie de température♦ Evaluation de l’intervention
♦ Pourquoi l’imagerie de température♦ Absorption de l’énergie depend du tissu♦ Diffusion de la chaleur is depend du tissu(perfusion)
![Page 45: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/45.jpg)
Outils de chauffage pour les thermothérapies
Laser Radiofréquences Ultrasons Focalisés
f z
x
Cerveau, foie, sein, prostate
Foie, poumon, rein Prostate, sein
Ultrasons FocalisésNon-invasive
RFLaser
![Page 46: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/46.jpg)
Imagerie par Résonance Magnétique
φ
X
Y
0
M
Module
Phase
![Page 47: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/47.jpg)
Thermométrie basée sur la fréquence Larmor des protons de l’eau
Phase 1
zoom x 4
Phase 2
zoom x 4
Carte de température
zoom x 4
20 mm
Echo de gradient Phase 2 – Phase 1
dω / dT = ß = 0.01 ppm/ºC ± 5% ? T = - ? f / (ß · ? · Bo · TE)
Linéaire / indépendant de l’organe
![Page 48: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/48.jpg)
Plate-forme de traitement temps-réel
Systèmegénérateur d’énergie
PhilipsIntera 1.5T
RF, Laser, FUS
Console IRM
PC Linux + IDLContrôle et Asservissement de la T°
![Page 49: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/49.jpg)
φ = 96mm
80 < f[mm]<150
R⊥ (˜ 1mm)
R||
(˜ 10mm)
1
2
34 5
1 Transducteur US
2 Réservoir d’eau
3 Antenne IRM
4 Cuisse de lapin
5 Référence externe
de température
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t= 0 [s] t= 25 [s] t=50[s]
Diffusion de chaleur
Cartes de températureObtenues par IRM
Cartes de températureObtenues par IRM
![Page 51: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/51.jpg)
t= 0 [s] t= 50 [s]
t= 500 [s]t= 350 [s]t= 250 [s]
t= 150 [s]
Exemple de l’asservissement
IRM-outil de chauffage (FUS)
(viande fraiche)
Exemple de l’asservissement
IRM-outil de chauffage (FUS)
(viande fraiche)
![Page 52: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/52.jpg)
Réservoir d’eau
transducteur
Cuisse de ratINVIVO
INVIVO
Température Température
Puissance ultrasons
t = 50 s t = 120 s55ºC
Puissance ultrasons
![Page 53: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/53.jpg)
y
z
x
y
z
x
Température
D = 0
D > 0
![Page 54: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/54.jpg)
Traitement des tumeurs VX2 dans la cuisse du lapin
image anatomique spirale 1 (600s ) spiral 2 (600s)
?T > 3°C ?T > 9°C ?T > 12°C?T > 6°C
• trajectoire spiralée agrandir la région chauffée• modulation du déplacement du point focal contrôle de T°id
![Page 55: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/55.jpg)
Evolution du volume tumoral
Palussière et al., MRM 2002 (in press)
![Page 56: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/56.jpg)
FUS guidés par IRM : conclusion
++ non-invasive / compatibilité avec T° IRM
++ applications directes avec asservissement (sein, muscle, fibrome uterine)
-- atténuation en traversant des os (foie, cerveau)
-- couteux / pas de homologation par CE/FDA
![Page 57: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/57.jpg)
Ablation tumorale guidée par IRM dans le foie et rein
Imagerie quantitative de température du foie
Est-ce possible ?
![Page 58: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/58.jpg)
• Mouvements/déformation
• Flux sanguin
•Temp de relaxation
![Page 59: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/59.jpg)
Précision de l’IRM de T° MRI: foie de lapin in vivo
Magnitude Phase T° (SD)
Triggering respiratoire
sequences d’acquisition
![Page 60: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/60.jpg)
IRM de T° sur le foie de lapin in vivo + Laser
1- Positionnement (True Fisp)
Fibre Laser
• 2 Watts en continu
• Modulation du tempsd’application
2- Imagerie de T°
![Page 61: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/61.jpg)
laser ablation dans le rein de lapin
Stabilité (SD) < 1oC
A B C D Température :
+10°C + 15°C + 20°C
A : image référence,
B et C: images de température pendant traitement par laser
D: image montrant l’absorption d’agent de contraste par la lésion 24 hours post ablation
![Page 62: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/62.jpg)
ablation par radiofrequency
et
IRM de T°
![Page 63: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/63.jpg)
IRM de T° et ablation par radiofréquence
• Compatibilité passive : sondes ferro-magnetiques
• Compatibilité active : bruit de RF noise dans les images IRM
Artefactes T° MRI
![Page 64: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/64.jpg)
Développements méthodologiques
• générateur de signal + audio ampli (100 W)
• aiguilles de cuivre dans la premiere phase(1 mm diameter)
• Filtrage des signaux / adaptation de l’impedance
• Foie de veau ex vivo
• influence de la perfusion (flux variable)
![Page 65: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/65.jpg)
Exploitation des cartes de T°
Dose thermique Coupe macroscopique
Cartes de T° Dose thermique
Dose thermique Prédiction de la nécrose induite
+10°C+20°C+30°C
isothermes 1 cm
flux
temps
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Conclusion
![Page 67: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/67.jpg)
Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies
• Cartographie non-invasive de la température en temps réel
• Dose thermique permet une prédiction du volume qui sera nécrosé
• Résolution Spatiale: 2 mm
• Résolution Temporelle: 5 sec
• Muscle / Cerveau / Foie / Rein / Sein …
![Page 68: Imagerie par Résonance Magnétique - Institut national de …e2phy.in2p3.fr/2002/presentations/moonen.pdf · 2003. 2. 7. · Avantages de l’IRM de T° pour le guidage des thermo-thérapies](https://reader035.fdocuments.net/reader035/viewer/2022071414/610d0132c2767c2492156d31/html5/thumbnails/68.jpg)
Many thanks
• Bruno Quesson, J de Zwart, F Vimeux, R Salomir, C Weideinsteiner, C Mougenot, AM Wieczorek
• E Dumont, B Quesson, B de Senneville, M Kermaïdic
• N Grenier, J Palussière, H Trillaud, N Kerioui
• B LeBail, A Rullier
• LEP Philips, PMS
• O Seror, B Caire, M Lepetit-coiffe
T° MRI
IGT
CHU/CAC
Students
Collaborators
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De quelle physique la médecine elle a besoin?
♦Interdisciplinarité
♦Sciences de la Vie/Médecine