Grenot Gilles Université de Caen Basse NormandieStage TER de M1 Physique2008

Protocole pour effectuer des fantômes pour l'IRM 3T constitués d'agarose-CuSO4

Les champs magnétiques de IRMs varient sensiblement dans le temps et dans l'espace ce qui représente un inconvénient qui se répercute au niveau de la qualité des images. Il est donc prudent d'assurer des tests de qualités qui ont pour but de mesurer ces variations, notamment dans le temps. L'idée est de construire un ou des fantômes qui simulent les T1 et T2 des tissus humains. On peut alors mesurer les inconstances de la machine en réitérant régulièrement les mêmes acquisitions. Dans cette étude, il sera davantage question des T2 dans la mesure où il n'y a pas de séquences programmées d'office pour les mesures de T1. Il faudrait programmer une séquence où l'on fait varier les TR ou les TI d'une séquence écho de spin. Dans cette étude on cherche à constituer des fantômes constitués à partir d'Agarose et de Sulfate de Cuivre pour l'IRM 3T .L'agarose est connue pour être un « T2 modifier » alors que le Sulfate de Cuivre est plutôt un « T1 modifier ». Ceci signifie que la concentration des produits influent sur la valeur du T1 ou du T2 qu'ils simuleront. Ainsi, l'idée est de faire un mélange des 2 pour reproduire des tissus humains avec des T1 et T2 plausibles. Il faut alors mélanger le CuSO4 et l'Agaorse qui présente d'ailleurs l'atout de se gélifier et donc de réduire les artefacts de mouvements lorsque celui-ci est dans l'IRM.

On s'appuie sur le protocole du mémoire de master « Imagerie de la santé » soutenu à l'Université de Caen par Melanie Villedieu au sujet de la mise en place de fantôme et l'optimisation de séquences en Imagerie par Résonance Magnétique et on s'inspire du paper A two-Compartiment gel phantom for Optimisation and quality assurance in clinical BOLD fMRI, J.Olsrud, A. Nilson, P. Mannfolk, A. Waites, F. Stahlberg, Magnetic Resonance Imaging 26 (2008) 2799-286 pour les proportions pour le mélange agarose-CusSO4. En effet, dans le mémoire, l'étude est effectuée sur un IRM haut champ 7Tesla alors que nous travaillons avec un IRM 3T. L'article s'avère alors plus pertinent dans la mesure où il s'agit également d'une IRM 3T même si ils préconisent l'utilisation de NiSO4 plutôt que du CuSO4. Le NisO4 est souvent employé car c'est un agent de contraste qui ne connaît en général très peu d'interaction avec un autre agent (agarose) à tel point que l'on a les relations suivantes entre la relaxation et la relaxivité:

1/T1 = 1/T10 + r1CuSO4*[NiSO4] + r1Agarose*[Agarose] 1/T2 = 1/T20 + r2CuSO4*[NiSO4] + r2Agarose*[Agarose]

On admettra qu'il en est de même pour le sulfate de Cuivre et l'agarose, ceci a été d'ailleurs mis en évidence expérimentalement dans le mémoire de Mélanie Villedieu. Cependant, ne connaissant pas les propriétés qui diffèrent entre ces deux composés, nous prenons donc une marche de manS uvre par rapport aux valeurs de concentration suggérées dans l'article scientifique (« 0.66mM de NiSO4 pour des T1 dans la fourchette 1200- 1500ms et entre 2.44% et 2.21% pour un T2 de 50-55ms »). Pour ce qui est du protocole expérimental, on suit celui qui est explicité dans le mémoire en optant comme ils l'indiquent pour un chauffage de l'agarose au bain-marie plutôt qu'au micro-onde.

On table donc sur la gamme de mélanges ci-dessous:

Mélange [CuSO4] en mM [Agarose] en %

1 0 0

2 0.5 1

3 0.6 1

4 0.7 1

5 0.5 2

6 0.6 2

7 0.7 2

8 0.5 2.5

9 0.6 2.5

10 0.7 2.5

On prépare alors d'abord 50mL d'une solution mère de CuSO4 à 3mM.Pour ce faire il nous aura fallu dissoudre m=CVM= 37,45mg de CuSO4 en poudre dans de l'eau pure.

On prépare ensuite l'agarose qui se présente en poudre également. De l'agarose à 1% signifie que l'on a dissolu 1g pour 100mL de solution. On note que nos tubes renferment un volume de 16.5 mL.On pèse donc, à l'aide d'une balance de grande précision:165mg pour l'agarose à 1%330mg pour l'agarose à 2%412.5mg pour l'agarose à 2.5%

On ajoute alors à cela les bons volumes de CuSO4 pour obtenir les bonnes concentrations. On procède par dilutions successives. Il suffit alors de calculer les bons volumes de la solution mère à prélever en fonction des concentrations voulues. Pour celle à 0.5mM on prélève alors: (0,5.16,5)/3= 2,75mL Pour celle à 0.5mM on prélève:(0,6.16,5)/3= 3,3mL Pour celle à 0,7mM on prélève: (0,7.16,5)/3= 3,85mL

Une fois ces volumes versés, on remplit les tubes avec de l'eau pure jusqu'à ras bord afin d'éviter au maximum l'apparition de bulles.

L'agarose est un gélifiant. Lorsqu'on l'introduit à une solution ne se mélange pas, il ne se dissout que pour des températures élevées. Pour ce qui est de notre étude il nous importe d'obtenir une solution homogène, on passe alors les tubes dans le bain marie, à 85°, température au delà de laquelle le milieu est rendu liquide est homogène. On laisse au bain-marie pendant 20 minutes. Après avoir ressorti les tubes, les tubes refroidissent. En-dessous de 55°, le milieu commence à se solidifier sous forme de gel. Plus la concentration d'agararose est élevée dans le milieu, plus la solution se gélifie rapidement. On note que notre protocole n'est pas parfait. En effet, une fois que les mélanges se sont complètement

refroidis à la température ambiante, de phases se reforment à nouveau. Le mélange est toujours gélifié, mais on peut voir distinctement que les solutions ne sont pas homogènes, la majeure partie de l'agarose stagnant dans le fond et donnant un aspect plus trouble. Pour remédier à ceci, deux solutions qui peuvent être combinées viennent à l'esprit. Il faudrait essayer de chauffer pendant plus longtemps et également de refroidir très rapidement avec une trempe thermique par exemple.

Dispositon des tubes dans l'antenne tête quadrature de l'IRM:

Séquences utilisées: TSE (Turbo Spin echo à pluisieurs échos (1h d'acquisition) Mix (Map T1, T2 et ρ)

Traitement des données:

1°)Séquence TSE Séquence TSE , calcul des T2 par régression linéaire. Pour chaque tube, on sélectionne une ROI de

Agaroseen poudre

CuSO43mM

EauAg 0%CuSO4 0mM

Ag 2.5%CuSO4 0.6mM

Ag 2.5%CuSO4 0.7mM

Ag 2%CuSO4 0.7mM

Ag 1%CuSO4 0.7mM

Ag 2%CuSO4 0.6mM

Ag 1%CuSO4 0.6mM

Ag 2.5%CuSO4 0.5mM

Ag 2%CuSO4 0.5mM

Ag 1%CuSO4 0.5mM

Bo

même taille dont on relève l'intensité en fonction des échos, ie à des intervalles de temps séparés de TE(20ms). On peut alors rendre compte pour chaque tube de la décroissance exponentielle de la composante transversale de l'aimantation macroscopique. Pour les trois tubes dont la concentration de CuSO4 par exemple, les données obtenues sont répertoriées dans le tableau suivant:

Time(ms) Intensité du signal (u.a) pour 1% d'Agarose

Intensité du signal (u.a) pour 2% d'Agarose

Intensité du signal (u.a) pour 2.5% d'Agarose

40 1615.8 1788.3 1934.6

60 1505.6 1670.5 1833.0

80 1468.6 1571.8 1766.4

100 1417.6 1487.3 1705.4

120 1361.6 1395.8 1634.1

140 1317.5 1318.5 1578.6

160 1271.0 1241.8 1513.6

180 1222.0 1170.5 1460.9

200 1186.2 1105.6 1402.6

220 1139.9 1044.6 1351.8

240 1103.9 979.8 1300.6

260 1061.4 929.0 1251.8

280 1026.6 874.2 1205.3

300 990.5 824.2 1161.5

320 955.9 779.3 1115.8

340 922.0 729.8 1075.1

360 889.6 694.7 1036.0

380 859.5 650.3 996.1

400 829.7 618.5 959.5

On reconnaît la décroissance exponentielle.

En prenant les logarithme, on peut alors en déduire la constante de relaxation T2 pour chaque mélange. En effet:

Mxy=M0e−TE/T2

soit ln Mxy=ln M0−TE /T2 qui est une droite dont le coefficient directeur est l'inverse du temps de relaxation recherché. Il suffit alors de procéder à une régression linéaire. On utilise le logiciel R-Cran sous linux, on obtient les résultats suivants:

Mélange Concentration CuSO4(mM)/Agarose(%)

1/T2 (ms-1) Std. Error t value Pr(>t)

1 0.7/1 0,002379 2,892e-5 - 82, 2488 1,2120e-24

2 0.7/2 0,002438 1,868e-5 - 130,5039 3,0240e-28

3 0.7/2.5 0,007319 2,706e-5 - 270,4804 6,1146e-34

4 0.6/1 0,001754 2,728e-5 - 64,2966 1,0051e-22

5 0.6/2 0,002912 1,788e-5 - 162,8018 5,6668e-30

6 0.6/2.5 0,001883 2,239e-5 - 84,1318 8,0725e-25

7 0.5/1 0,001514 2,591e-5 - 58,4082 5,6188e-22

8 0.5/2 0,002428 1,667e-5 - 145,6605 4,1920e-29

9 0.5/2.5 0,003187 2,174e-5 - 146,5619 3,7517e-29

10 0/0 0,000423 1,736e-5 - 24,3415 3,1646e-15

Dans la régression linéaire, on a accès également à l'ordonnée à l'origine, à savoir Mo. Mo est décrite par la loi de Curie, elle dépend entre autre du nombre de noyaux d'H. On peut donc se servir de ces données comme un moyen de quantifier si les concentrations d'Agarose sont bien celles que nous avons voulu doser:

Mélange Concentration CuSO4(mM)/Agarose(%)

Mo Std. Error t Value Pr(>t)

1 0.7/1 7,427 0,00693 1071,768 1,056e-44

2 0.7/2 7,579 0,00447 1693,413 2,805e-48

3 0.7/2.5 7,607 0,00648 1173,361 2,069e-45

4 0.6/1 7,425 0,00654 1135,869 3,713e-45

5 0.6/2 7,589 0,00428 1771,095 1,251e-48

6 0.6/2.5 7,622 0,00536 1421,038 6,588e-47

7 0.5/1 7,451 0,00621 1200,067 1,380e-45

8 0.5/2 7,580 0,00399 1898,205 3,594e-49

9 0.5/2.5 7,631 0,00521 1464,921 3,811e-47

10 0/0 7,580 0,00416 1822,085 7,507e-49

Il semble que tout soit cohérent, aux effets de CuSO4 près. Plus il y a d'agarose, plus il y a de noyaux d'H, plus leMo est elevé.

A partir des coefficients directeurs de la regression précédent, on en prend l'inverse et obtient les valeurs de T2 obtenues en fonction des concentrations.

Mélange Concentration CuSO4(mM)/Agarose(%)

T2(ms) Standard error (ms)

t value Pr(>t)

1 0.7/1 420,340 5,110 -82,248 1,212e-24

2 0.7/2 410,176 3,143 -130,504 3,024e-28

3 0.7/2.5 136,632 0,505 -270,481 -6,115e-34

4 0.6/1 570,003 8,865 -64,297 1,005e-22

5 0.6/2 343,429 2,109 -162,801 5,667e-30

6 0.6/2.5 530,902 6,310 -84,132 8,072e-25

7 0.5/1 660,643 11,310 -58,408 5;619e-22

8 0.5/2 411,913 2,828 -145,660 4,192e-29

9 0.5/2.5 313,806 2,141 -146,562 3,752e-29

10 0/0 2365,861 97,194 -24,341 3,165e-15

En traçant à concentration de CuSO4 donnée, le temps de relaxation 1/T2 en fonction de la concentration d'Agarose dans le mélange, on obtient la relaxivité de l'Agarose en T2.

On trouve: – à 0,5mM de CuSO4: r = 1,0807.10^(- 3) %.ms-1 avec un coeff de corrélation de 0.554– à 0,6mM de CuSO4: r = 2,3428.10^(- 4) %.ms-1 avec un coeff de corrélation de 0.081– à 0,7mM de CuSO4: r = 2,7198.10^(- 3) %.ms-1 avec un coeff de corrélation de 0.979

Les trois régressions linéaires sont superposées sur le graphique suivant:

Il est bien difficile d'interpréter ces résultats dans le sens ou les régressions linéaires sont chacunes faites à partir de trois points seulement, ce qui est loin d'être assez.

2°) Séquence Mix, séquence 7.

Séquence 7, (Mix, map T1, T2, ρ), pour une ROI de 36pixels soit 144mm^2

Concentration CuSO4(mM)/Agarose(%)

Mean T1 Standard Deviation T1

Mean T2 Standard Deviaton T2

Mean ρ Standard Deviaton ρ

0.7/1 539.70 93.35 28.22 4.92 838.01 341.76

0.7/2 475.60 109.48 23.80 3.24 1117.44 419.02

0.7/2.5 436.76 59.64 33.34 45.14 1467.99 303.86

0.6/1 483.64 148.21 28.70 5.34 850.48 338.67

0.6/2 483.92 23.84 21.65 5.46 1114.23 440.42

0.6/2.5 442.44 16.73 18.35 0.82 1234.72 518.55

0.5/1 558.52 18.10 28.59 5.71 896.79 357.60

0.5/2 495.96 16.30 21.18 4.60 1133.62 445.95

0.5/2.5 462.42 41.35 18.08 3.84 1311.98 497.82

0/0 2035 12 1495.69 564.96