CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti LIRM : DU SIGNAL A LIMAGE Ilana Peretti mars 2002

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

L’IRM :DU SIGNAL A L’IMAGE

Ilana Peretti

mars 2002


Un peu d’histoire

• Bloch et Purcell (1946) : RMN

• 1ères applications : spectroscopie par

RMN (chimie, biochimie)

• Damadian (1971) :

tissu sain tissu cancéreux

• Lauterbur (1973) : 1ère image

• 1980 : 1ères images : tête et abdomen


qualité des images (contraste, résolution) images tomographiques d'incidence quelconque

atraumatique

Intérêt de l’IRM

images riches : 3 paramètres principaux informations sur la structure de la matière

imagerie anatomique et imagerie fonctionnelle


PARAMETRES PRINCIPAUX DE L'IRM

: densité de protons

T1 : temps de relaxation

T2 : temps de relaxation

renseignements

MORPHOLOGIQUES

et BIOLOGIQUES


Principe Général de l'IRM

MESURE des propriétés MAGNETIQUES

des tissus biologiques


Patient soumis à l'action simultanée :

champ magnétique principal BO constant0,01 à 3 Tesla

+ onde radio de durée brève (impulsion)exemple : 21 MHz à B0= 0,5 TU

N

S

BO


+ Gradients de champ magnétique : champs magnétiques

d'intensité beaucoup plus faible que BO

variables dans l’espace

appliqués à certains instants


remarques

- champ magnétique terrestre Bterrestre = 0,000 05 T = 0,5 G( 1 Gauss = 10 - 4 Tesla)1,5 T = 30 000 Bterrestre

- attraction des objets métalliquesclefs, ciseaux, …C.I. : pace-maker

- isolation par rapport aux rayonnements électromagnétiques extérieurs


Première étape : la RMN

Deuxième étape : la formation de l’image

Troisième étape : les évolutions actuelles


LA RESONANCE MAGNETIQUE

NUCLEAIRE

Première partie


1

MAGNETISATION RESONANCE

2

RELAXATION

3


1 - MAGNETISATION1 - MAGNETISATION

description vectorielle

x

y

z

description quantiqueE2

E1


imagerie médicale : en général, noyau de l'atome d'Hydrogène présent dans l’eau

O

H

H


noyau de l’atome d’hydrogène = proton spin : rotation intrinsèque petit aimant

N

S

=


moments magnétiques nucléaires d’un tissu

ORIENTATION ALEATOIRE DES VECTEURS


action de BO

aimantation totale : M non nulle

environnement naturel

aimantation totale : M = 0


action d’un champ magnétique extérieur uniforme et constant B0

LE PROTON TOURNE AUTOUR DE Bo A LA FREQUENCE

f0 = B0 / 2

f0 = fréquencede Larmor

B0

précession


B0 M

niveauhaute énergie

niveau basse énergie


DANS UN CHAMP DE 1 TET POUR UNE POPULATION DE:

1 million de protons EXCES DE 2 PROTONS D’ENERGIE E1

Bo

E2

E1

E

down

up


dans un champ intense B0

à l’équilibre

B0 M

aimantation M : parallèle à B0


action d’une impulsion radio de fréquence f (impulsion d'excitation)

résonance

fréquence onde radio f = fréquence de Larmor f0

2 - RESONANCE

TRANSFERT MAXIMUM D’ENERGIE


TRANSFERT MAXIMUM D’ENERGIE


quand f = f0

description vectorielle

le vecteur aimantation M s’incline

M s’écarte de B0 tout en tournant autour de B0


à l’instant t0 de l’arrêt de l’impulsion

l'aimantation M est inclinée d’un angle par rapport à B0

B0

M

MT

ML

x

y

z


B0

Mx

y

z

aimantation totale M juste après une impulsion de 90°

= 90°


description quantique

Bo

E2

E1

E

E = h f0

égalisation du nombre de protons justeaprès une impulsion de 90°


moments magnétiques nucléaires juste après une impulsion de 90°

B0 M

mise en phase


retour à l'état d'équilibre décrit parl’évolution au cours du tempsde l’aimantation M :

temps de relaxation T1 et T2

3 - RELAXATION

elle débute dès l’arrêt de l’impulsion radio


z

antennex

MT

y

MML

B0


y

x

Z

ENREGISTREMENT D'UNCOURANT ELECTRIQUEINDUIT DANS LA BOBINE DE RECEPTION

plan de mesure


signal F I D(Free Induction Decay)

COURANT INDUIT ENREGISTRE


La relaxation de l’aimantation longitudinale

Après l’arrêt d’une impulsion de 90°,ML suit la loi de BLOCH :

ML = Meq (1 – e )- tT1

aimantationlongitudinale

valeur à l’équilibre de ML

T1 : temps caractéristiquedécrivant l’évolution de ML

(temps mis par l’aimantationlongitudinale pour atteindre 63 % de sa valeur à l’équilibre Meq)0 T1 t

ML

Meq

0,63Meq

T1 : temps de relaxation longitudinale


MT suit la 2ème loi de BLOCH

La Relaxation de l’aimantation transversale

l’impulsion de 90° met en phase les spins nucléaires

la relaxation transversale :déphasage progressif des spins

répartition homogène sur les cônes de précession MT = 0


MT = M e - tT2

valeur de MT à l’instantchoisi comme origine

T2 : temps de relaxation transversale

T2 : temps caractéristique décrivant l’évolution de MT

(temps mis par l’aimantation transversale pour atteindre 37 % de sa valeur initiale)

M

0 T2 t

MT

0,37 M


Temps de relaxation de milieux biologiques

T1 (1,5 T) T2

eau

LCR

muscle

graisse

foie

subst. blanche

subst. grise

3000 ms 1500 ms

2500 1000

800 45

200 75

500 45

750 90

850 100


les séquences d'impulsion :

impulsion d'excitation et impulsion de détection séparées par TE/2

TE : temps d'écho

deux séquences séparées par TR TR : temps de répétition

Le contraste


séquence écho de spin

écho de spin (mono écho)

90° 90°180° 180°

impulsion

0 TE/2 TE TRtemps

T2

signalT2

*


après l’impulsion de 90° M est basculé dans le plan transversal = plan de mesure

inhomogénéités locales de B relaxation transversale

déphasage des spins contribuant à MT

l’éventail se déploie


enveloppe valeur de T2

après l’impulsion de 180° (à TE/2)

inversion des spins qui se remettent en phase l’éventail se referme

au temps TE : écho du signal mesure

• si seulement hétérogénéité d’origine instrumentaleindépendante du temps :

amplitude de l’écho devrait être égale à l’amplitudedu signal d’origine.

• si hétérogénéité d’origine moléculaire : relaxation spin-spin diminution de l’amplitude du signal


signal

écho de spin : image pondérée en T2

• •TE

TRt

écho de spin : image pondérée en T1

TE

TR

signal

• • •

t


Mt = M0 (1 – e ) ( e )– TR

T1

– TET2

•

•t

(1)

(3)

(2)

signal

TRc TEc TEc

TETR

•


Paramètres d’acquisition

ordres de grandeur :

TR de 300 à 4000 msTE de 10 à 120 msfixés par l’opérateur

images :

en T1 : TR court et TE courten T2 : TR long et TE longen : TR long et TE court


TR

écho de spin : image en T1

signal

tT2 long

T1 long

TE

écho de spin : image en T2

signal

t

T1 long

T2 long

TR TE


images en T1 :

tissu à T1 long hyposignal

tissu à T1 court Hypersignal

images en T2 :

tissu à T2 long Hypersignal

tissu à T2 court hyposignal


graisse moelle osseuse

tissu cérébral subst. blanche subst. grise

muscle

liquides

os cortical air

BLANC

(T1 court)

GRIS

NOIR

images pondérées en T1


tissu cérébral subst. grise subst. blanche

muscle

os corticalair

BLANC

(T2 long)

GRIS

NOIR

images pondérées en T2

liquides

graisse


Durée d’une acquisition

D = TR . Nlignes . Nacc

exemple :

TR = 2000 ms

Nlignes = 256

Nacc = 1

D = 8,5 minutes

30 à 40 minutes

Durée d’un examen


LA FORMATION DEL’IMAGE

Deuxième partie


les outils de base : les gradients de champ magnétique

relation de Larmorf = B / 2

f proportionnel à B

variation B entraîne variation f

f = . B / 2

gradient de champ G codage de l’espace


ex : gradient Gx dirigé suivant l’axe des x

x

B0

Bx

+

B = B0 + Bx


ex : gradient Gz dirigé suivant l’axe des z

z

B0 Bz+ B


-obtention des gradients de champ : bobinesGx, Gy , Gz

avec Gz = B / z

-intensité des champs magnétiques variablesspatialement : très faible par rapport à B0

ex : 1,2 x 10-4 T / cmsoit environ 5 kHz / cmf = B / 2

- gradients de champ simultanés : somme vectorielle des champssuperposition


sélection d’un plan de coupe

z

ex : B0 + Bz

ex : plan axial


dans chaque plan perpendiculaire à la directiondu gradient, le champ subi par les protons a une même valeur

deux plans différents correspondent à une fréquence de résonance différente

l’impulsion 90° bascule l’aimantation M d’un seul plan de coupe : résonance

coupe d’obliquité quelconque

la position du plan de coupe est choisie en adaptant la fréquence de l’impulsionradio à la valeur du champ magnétique


épaisseur de la coupe sélectionnée

f

z

f

zA

zB

GZA

GZB

dépend de l’intensité du gradient et de f ex : plan axial


f : largeur de la bande de fréquences de l’impulsion

ex : gradient GZB plus faible que GZA

(pente plus faible) coupe plus épaisse

GZ = B / zf = . B / 2

z = (2 . f) / ( . GZ)

épaisseur de la coupe sélectionnée (2)


position du plan de coupe

choisie en adaptant la fréquence centralede la bande de fréquences de l’impulsionà la valeur du champ magnétique au niveau du centre du plan de coupe


codage du signal dans le plan de coupe sélectionné

x

pendant le recueil du signal :utilisation d’un gradientex : gradient suivant x

exemple : plan axial

1 - CODAGE PAR LA FREQUENCE


même principe que la sélection du plan de coupe :

on obtient un codage de la direction x

les spins situés sur une droite perpendiculaire à x sont caractériséspar une même fréquence de résonance


signal FID

tous les éléments d’une même droite perpendiculaire à la direction du gradientdonnent un même pic

ensemble de fréquencesTF


la position de chaque pic :

- est liée à la fréquence de résonance des spins

- est donc liée à la position des spins

selon l’axe x


l’ensemble du plan contribue au signal demesure

f

on obtient une projection du plan de coupe sur la direction du gradient


possibilité de multiples projections

puis rétroprojection et filtrage

en fait : au codage par la fréquence est

associé un codage par la phase

codage spatial des deux directions

du plan de coupe sélectionné


exemple : plan axial

2 - CODAGE PAR LA PHASE

y

- immédiatement après l’impulsion de 90° - pendant une durée t :

utilisation d’un gradientex : gradient suivant y


- les spins qui ont été soumis à un champ B plus intense ont un angle de phase plus grand

y

- les spins se remettent à tourner à la même fréquence, en gardant leur décalage en phase

à la fin de la période t :


succession des évènements


exemple du plan axial :

gradient Gx pour le codage par la fréquence

gradient de lecture Gf

gradient Gy pour le codage par la phasegradient de codage de phase Gp

gradient de sélection Gs

gradient Gz pour la sélection du plan de coupe


90°180°

impulsion

sélection

phase

signal

0 TE temps

écho de spin

acquisition bidimensionnelle

lecture


Durée d’une acquisition

D = TR . Nlignes . Nacc

TR = 2000 ms

Nlignes = 256

Nacc = 1

D = 8,5 minutes

30 à 40 minutes

Durée d’un examen

exemple :

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