Le National Institute of Standards and Technology (NIST) fournit désormais un nouveau service de mesure qui peut améliorer la qualité de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et fournir un moyen d'utiliser l'IRM pour effectuer des mesures précises et traçables à l'intérieur du corps humain. Il est l'aboutissement de nombreuses années de recherche par des scientifiques du NIST travaillant à la frontière de l'imagerie médicale quantitative pour la médecine de précision.

Les médecins ont besoin d'images très précises pour les décisions de diagnostic et de traitement. Les paramètres quantitatifs mesurés par IRM doivent être à la fois précis et avoir des incertitudes bien définies avant de pouvoir être utilisés pour la prise de décision clinique. Cela signifie que les opérateurs d'IRM doivent caractériser leurs scanners et leurs protocoles d'imagerie à l'aide de normes traçables, celles qui relient les mesures à une référence internationale convenue.

Cela se fait en utilisant des "fantômes" - des objets incorporant des matériaux de référence standard qui servent de remplaçants fiables pour des types spécifiques de tissus dans le corps. Les fabricants de fantômes doivent s'assurer que les propriétés IRM des matériaux qu'ils utilisent sont mesurées avec précision. C'est là que le nouveau service d'étalonnage, à Boulder du NIST, Colo., installations, entre.

Les clients envoient au NIST des échantillons de matériaux à utiliser dans la fabrication de fantômes. Les scientifiques mettent le matériau dans des tubes capillaires, contenant chacun environ 10 microlitres (millionièmes de litre), et placez-les un par un dans le système RMN du NIST. Chaque échantillon est testé trois fois à des intensités de champ magnétique et à des températures spécifiées, un processus qui peut prendre de six à 40 heures par échantillon. (Le système d'acquisition automatisé fonctionne 24h/24 et 7j/7.) Les échantillons initiaux sont limités aux liquides, mais les futures extensions du service incluront des gels et des imitateurs de tissus plus complexes. « Le système RMN est unique et a été spécifiquement conçu comme un système de métrologie pour calibrer les biomarqueurs d'imagerie médicale, " a déclaré Michael Boss du NIST, qui a développé le système, protocoles de mesure et routines d'analyse.

Les propriétés mesurées fournissent une traçabilité NIST au Système international d'unités (SI) ainsi qu'une analyse rigoureuse des diverses incertitudes dans les mesures. Les mesures impliquent une chaîne ininterrompue d'étalonnages entre les résultats de l'IRM et la référence SI. Par conséquent, les scanners individuels et les séquences peuvent être ajustés pour fonctionner plus précisément, et les données obtenues à partir d'images sur différents scanners peuvent être comparées avec une plus grande confiance.

"Lorsque nous délivrons un certificat traçable NIST, nous donnons à la fois les propriétés des matériaux et une incertitude absolue, " a déclaré Stephen Russek, scientifique du programme NIST. " Il est important de connaître les incertitudes en détail, car ils se propagent dans la chaîne d'étalonnage. Nous avons environ plus ou moins 1 % d'incertitude de mesure dans notre laboratoire, mais actuellement, il y a quelque chose comme 5 % d'incertitude dans le meilleur des cas dans les scanners cliniques avec des fantômes, et potentiellement 20 % ou plus lors de la prise de mesures basées sur l'image chez les patients. Notre service est destiné à fournir un chemin pour obtenir des incertitudes meilleures et plus faibles dans les mesures humaines."

Dans sa forme initiale, le nouveau service mesure deux propriétés révélatrices fondamentales des échantillons :les temps de relaxation de "spin" du proton T1 et T2. (Le spin est un effet quantique analogue à l'alignement des pôles nord et sud d'un barreau aimanté.) Ce sont les temps qu'il faut pour la polarisation du spin du proton, respectivement parallèle et perpendiculaire au champ magnétique, récupérer après avoir été perturbé par des ondes radio dans un champ magnétique puissant.

Les deux temps de relaxation sont sensibles aux propriétés locales des tissus (par exemple, dans le cerveau, T1 est plus court dans la substance blanche, plus longtemps dans la matière grise). Et ils fournissent des « biomarqueurs, " propriétés physiques qui indiquent si le tissu fonctionne normalement ou si une sorte de pathologie ou de lésion tissulaire est présente. Elles sont également utilisées pour suivre comment une formation particulière, comme une tumeur, répond au traitement médicamenteux.

Les temps de relaxation T1 et T2 peuvent varier de plusieurs ordres de grandeur, et le service NIST mesure le temps de 4 millisecondes à 3 secondes. Les temps de relaxation sont également très sensibles à la température, les mesures sont donc effectuées dans un environnement thermique hautement contrôlé à des intervalles spécifiés entre 0 C et 50 C.

Les incertitudes sont calculées à l'aide d'un modèle informatique basé sur la physique "conçu pour nous dire quelles mesures nous nous attendrions à obtenir avec toutes les incertitudes repliées, " Stephen Russek a dit, "des fluctuations de température à quelqu'un qui allume un aspirateur à côté, ainsi que la variation anticipée des opérateurs. » Le modèle contient des facteurs tenant compte des opérateurs imparfaits ainsi que de la dérive du système entre les intervalles d'étalonnage.

"À l'heure actuelle, il n'y a personne qui propose cette mesure avec traçabilité SI, " a déclaré Russek. "Nous sommes la première et la seule opération à le faire. Certains biomarqueurs sont très ambigus et ne peuvent être rigoureusement quantifiés à moins d'avoir ce type de traçabilité. Un exemple d'une importante, mais difficile à quantifier, le biomarqueur est l'hyperintensité de la substance blanche [régions de haute intensité dans les scintigraphies cérébrales IRM], qui est liée à la dégénérescence des nerfs ou des gaines de myéline qui les entourent."

Des régions similaires de haute intensité dans les images IRM sont liées à la maladie d'Alzheimer à début précoce et à d'autres troubles cognitifs. Maintenant, il est problématique de comparer les résultats de patients sur différents sites imagés avec différents scanners, ce qui limite la puissance des études multicentriques. Le nouveau service de mesure est susceptible d'améliorer cette situation.

Bien que le service soit actuellement limité aux mesures T1 et T2, "dans environ six mois, nous espérons l'étendre pour mesurer la diffusion de l'eau, et éventuellement de nombreuses autres propriétés, ", a déclaré Kathryn Keenan, scientifique du programme NIST.

"La diffusion de l'eau dans le corps peut révéler toutes sortes d'informations microscopiques, de l'étroitesse des cellules dans une tumeur cancéreuse, à la réponse de cette tumeur à un médicament, lorsque les cellules cancéreuses meurent et se décomposent. Il peut même déterminer comment le cerveau est câblé, en regardant comment l'eau se diffuse préférentiellement le long des faisceaux de nerfs, ou identifier des ruptures de connectivité cérébrale par des changements de comportement de diffusion, " dit le patron, qui dirige les efforts du NIST pour fournir des normes de diffusion à la communauté IRM.

D'autres techniques d'IRM peuvent fournir des informations critiques sur le flux sanguin et la teneur en oxygène, ainsi que les propriétés électriques et mécaniques des tissus. La valeur clinique de tous ceux-ci pourrait bénéficier d'un étalonnage rigoureux des appareils et des protocoles utilisés pour produire les images.

"Le but, " Russek a dit, "est d'obtenir la traçabilité à l'intérieur du corps humain."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.