Simulation du signal d'IRM diffusion dans tissus biologiques – SIMUDMRI

L’imagerie par résonance magnétique du processus de diffusion cérébrale de l’eau (IRMD) est une technique d’imagerie qui repose sur le codage en phase du mouvement brownien des molécules d’eau. La résolution des images obtenues est proche du millimètre alors que le déplacement observé des molécules reste limité à quelques dizaines de micromètres. Un coefficient de diffusion apparent (ADC) ou un tenseur de diffusion (TD) peuvent être calculés en chaque voxel de l’image à partir d’un modèle analytique de l’atténuation du signal observée. L’IRMD est devenue un outil diagnostic standard de l’ischémie cérébrale et d’inférence de la connectivité anatomique cérébrale. Aujourd’hui, elle reste l’unique méthode d’accès in vivo au connectome humain. Récemment, il a été démontré que l’IRMD peut rendre compte de l’activité cérébrale, devenant ainsi un champ actif de la recherche méthodologique en imagerie fonctionnelle. Le but de ce projet est de comprendre, au-delà de de l’ADC et du TD, l’influence de la microstructure des tissus cérébraux sur le signal observé.
A l’échelle cellulaire, le cerveau humain est composé de structures aux dimensions proches du micromètre, taille bien inférieure à la meilleure résolution spatiale de l’IRMD. Chaque voxel renferme quantité de cellules aux tailles et aux formes variables, dont les membranes constituent une géométrie tortueuse qui perturbe le mouvement des molécules d’eau, et donc le signal IRM associé. Dans une expérience d’IRMD, le temps d’observation du phénomène de diffusion est de l’ordre de 20-50 ms. En tenant compte du coefficient de diffusion de l’eau « libre » D=3.10-9 m2/s à 37°C, on aboutit à un libre parcours moyen proche de 15-25 micromètres. Les molécules d’eau sont donc amenées à interagir avec les nombreuses membranes anisotropes des cellules, des fibres ou des macromolécules du milieu cellulaire.
Afin de comprendre le rôle de cette anisotropie sur l’atténuation du signal IRM, nous développons actuellement un code de simulation du signal d’IRMD à l’échelle du voxel, en tenant compte d’une géométrie réaliste des modèles de cellules à partir d’information issues de microscopie électronique, ainsi que d’encodage en phase du processus de diffusion similaires à ceux possibles sur les systèmes IRM.
La simulation numérique sera abordée en suivant deux directions. La première direction repose sur la recherche d’une solution numérique de l’équation phénoménologique de Bloch-Torrey en utilisant les fonctions de Green. La seconde direction reposera sur une simulation de type Monte-Carlo. Les deux approches seront ensuite combinées pour donner naissance à une méthode hybride : l’approche reposant sur les fonctions de Green sera utilisée pour accélérer le code Monte-Carlo dans les régimes où les résultats de la simulation satisfont l’équation de Bloch-Torrey et aux endroits où la géométrie peut être modélisée à l’aide de simples surfaces régulières ; le code Monte-Carlo sera conservé dans les autres cas. A terme, ce nouveau simulateur hybride devrait permettre de significativement diminuer le temps de calcul et donc autoriser la simulation d’environnement aux dimensions décuplées.
L’objectif final de ce projet est de proposer un nouvel outil de simulation du signal d’IRMD tenant compte de rendus géométrique réalistes de l’environnement cellulaire, de paramètres d’acquisition réalistes concernant les impulsions de gradients d’encodage en diffusion, tout en assurant des résultats précis, à plusieurs échelles, et dans un temps de simulation acceptable. Ce nouveau simulateur constituera un outil unique pour comprendre l’impact de la microstructure du parenchyme cérébral sur le signal d’IRMD, et aidera probablement à la mise au point de nouveaux schémas de séquence d’imagerie qui tireront partie des découvertes faites à travers son utilisation.