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CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti
L’IRM :DU SIGNAL A L’IMAGE
Ilana Peretti
mars 2002
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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
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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
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PARAMETRES PRINCIPAUX DE L'IRM
: densité de protons
T1 : temps de relaxation
T2 : temps de relaxation
renseignements
MORPHOLOGIQUES
et BIOLOGIQUES
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Principe Général de l'IRM
MESURE des propriétés MAGNETIQUES
des tissus biologiques
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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
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+ Gradients de champ magnétique : champs magnétiques
d'intensité beaucoup plus faible que BO
variables dans l’espace
appliqués à certains instants
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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
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Première étape : la RMN
Deuxième étape : la formation de l’image
Troisième étape : les évolutions actuelles
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LA RESONANCE MAGNETIQUE
NUCLEAIRE
Première partie
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1
MAGNETISATION RESONANCE
2
RELAXATION
3
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1 - MAGNETISATION1 - MAGNETISATION
description vectorielle
x
y
z
description quantiqueE2
E1
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imagerie médicale : en général, noyau de l'atome d'Hydrogène présent dans l’eau
O
H
H
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noyau de l’atome d’hydrogène = proton spin : rotation intrinsèque petit aimant
N
S
=
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moments magnétiques nucléaires d’un tissu
ORIENTATION ALEATOIRE DES VECTEURS
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action de BO
aimantation totale : M non nulle
environnement naturel
aimantation totale : M = 0
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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
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B0 M
niveauhaute énergie
niveau basse énergie
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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
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dans un champ intense B0
à l’équilibre
B0 M
aimantation M : parallèle à B0
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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
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TRANSFERT MAXIMUM D’ENERGIE
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quand f = f0
description vectorielle
le vecteur aimantation M s’incline
M s’écarte de B0 tout en tournant autour de B0
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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
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B0
Mx
y
z
aimantation totale M juste après une impulsion de 90°
= 90°
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description quantique
Bo
E2
E1
E
E = h f0
égalisation du nombre de protons justeaprès une impulsion de 90°
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moments magnétiques nucléaires juste après une impulsion de 90°
B0 M
mise en phase
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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
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z
antennex
MT
y
MML
B0
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y
x
Z
ENREGISTREMENT D'UNCOURANT ELECTRIQUEINDUIT DANS LA BOBINE DE RECEPTION
plan de mesure
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signal F I D(Free Induction Decay)
COURANT INDUIT ENREGISTRE
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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
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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
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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
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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
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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
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séquence écho de spin
écho de spin (mono écho)
90° 90°180° 180°
impulsion
0 TE/2 TE TRtemps
T2
signalT2
*
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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
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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
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signal
écho de spin : image pondérée en T2
• •TE
TRt
écho de spin : image pondérée en T1
TE
TR
signal
• • •
t
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Mt = M0 (1 – e ) ( e )– TR
T1
– TET2
•
•t
(1)
(3)
(2)
signal
TRc TEc TEc
TETR
•
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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
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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
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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
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graisse moelle osseuse
tissu cérébral subst. blanche subst. grise
muscle
liquides
os cortical air
BLANC
(T1 court)
GRIS
NOIR
images pondérées en T1
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tissu cérébral subst. grise subst. blanche
muscle
os corticalair
BLANC
(T2 long)
GRIS
NOIR
images pondérées en T2
liquides
graisse
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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
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LA FORMATION DEL’IMAGE
Deuxième partie
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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
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ex : gradient Gx dirigé suivant l’axe des x
x
B0
Bx
+
B = B0 + Bx
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ex : gradient Gz dirigé suivant l’axe des z
z
B0 Bz+ B
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-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
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sélection d’un plan de coupe
z
ex : B0 + Bz
ex : plan axial
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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
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épaisseur de la coupe sélectionnée
f
z
f
zA
zB
GZA
GZB
dépend de l’intensité du gradient et de f ex : plan axial
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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)
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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
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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
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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
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signal FID
tous les éléments d’une même droite perpendiculaire à la direction du gradientdonnent un même pic
ensemble de fréquencesTF
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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
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l’ensemble du plan contribue au signal demesure
f
on obtient une projection du plan de coupe sur la direction du gradient
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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
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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
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- 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 :
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succession des évènements
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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
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90°180°
impulsion
sélection
phase
signal
0 TE temps
écho de spin
acquisition bidimensionnelle
lecture
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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 :