Chapitre 1 : Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) - PDF

CHAPITRE 1: IMAGERIE PAR RÉSONANCE MAGNÉTIQUE IRM @ B. E. BELKERK 1 PLAN  Rappels de résonance magnétique nucléaire (RMN).  Applications de la RMN à l’imagerie médicale (IRM).  Architecture...

CHAPITRE 1: IMAGERIE PAR RÉSONANCE MAGNÉTIQUE IRM @ B. E. BELKERK 1 PLAN  Rappels de résonance magnétique nucléaire (RMN).  Applications de la RMN à l’imagerie médicale (IRM).  Architecture d’un appareil d’IRM et rôle de chacun de ses modules.  Principe de l’IRM de diffusion, de perfusion, de l’IRM fonctionnelle et de la spectrométrie.  Protocoles d’assurance qualité et paramètres à vérifier.  Apport de l’IRM dans le diagnostic médical, indications, limites, contraintes et contre- indications. @ B. E. BELKERK 2 HISTOIRE  La première image IRM a été publiée en 1973  La première image d’un sujet humain a été complétée en 1977 et a pris presque 5 heures à acquérir  En 2003, Dr. Paul Lauterbur et Sir Peter Mansfield ont reçu le prix Nobel pour leur découverte @ B. E. BELKERK 3 INTRODUCTION  Imagerie in vivo, non invasive  Coupes dans n’importe quelle direction, 3D  Images de bonne qualité  Imagerie anatomique, angiographie, imagerie fonctionnelle, tenseur de diffusion  Nombreuses applications @ B. E. BELKERK 4 INTRODUCTION DE NOMBREUX FACTEURS CONTRIBUENT À L'IMAGERIE PAR RM  Propriétés quantiques des spins nucléaires  Propriétés d'excitation radiofréquence (RF)  Propriétés de relaxation des tissus  Intensité du champ magnétique et gradients  Instant des gradients, impulsions RF et détection des signaux @ B. E. BELKERK 5 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) DU SPIN  SIGNAL RMN @ B. E. BELKERK 6 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Quels types de noyaux peuvent être utilisés pour la RMN ?  Le noyau doit avoir 2 propriétés:  Spin  charge  Les noyaux sont composés de protons et de neutrons  Les deux ont le spin ½  Les protons sont chargés  Les couples de spins ont tendance à s'annuler, de sorte que seuls les atomes avec un nombre impair de protons ou de neutrons ont des effets  Les bons noyaux de RM sont 1H, 13C, 19F, 23Na, 31P @ B. E. BELKERK 7 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Spin et magnétisme des noyaux Le plus utilisé : noyau d’hydrogène (concentration dans la plupart des tissus >70%) Le noyau d’hydrogène est constitué d’un seul nucléon : un proton (masse m, charge e+) Ce noyau tourne sur lui même (propriétés de spin) moment cinétique P (dépend de la masse) moment magnétique m (dépend de la charge) γ = rapport gyromagnétique, dépendant du noyau (4257 Hz/T pour le proton) Noyau = sphère tournant portant une charge électrique @ B. E. BELKERK 8 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Spin et magnétisme des noyaux @ B. E. BELKERK 9 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Effet du champs B0 sur µ proton est placé dans un champ magnétique externe B0, µ s’oriente parallèlement à B0 ou sens inverse de B0 état « up» : énergie E1 = – γ ħB0/2 Echelle microscopique état « down»: énergie E1 = + γ ħB0/2 Echelle Macroscopique apparition d’un vecteur d’aimantation macroscopique "M0 " (B0 non nul) @ B. E. BELKERK 10 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Effet du champs B0 sur µ Haute Basse énergie énergie Spin - 1/2 Spin +1/2 B0 = 1 T État Stable M0 Moment résultant Mouvement de précession autour d’un axe aligné sur le champ B0. @ B. E. BELKERK 11 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Sans Champs Extérieur Population de Protons Proton M Champs Extérieur= B0 M M @ B. E. BELKERK 12 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Mouvement de précession et fréquence de Larmor Les spins ont un mouvement de rotation et décrivent un cône autour de l'axe de B0 :Mouvement de précession La vitesse de précession est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique B0 ω0 =2πf0= γ.B0. f0 la fréquence de Larmor. γ le rapport gyromagnétique (caractérisant chaque noyau) γ = 4257 Hz/T pour le proton 1H Moment macroscopique M0 parallèle à B0, mouvement de précession à ω0 autour @ B. E. BELKERK 13 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Résonance magnétique nucléaire (RMN) Etudier les modifications d'aimantation des noyaux sous l’action conjointe de deux champs magnétiques : champ magnétique statique fixe élevé (B0) champ électromagnétique tournant (B1) (Onde RF) B1 tournant dans un plan orthogonal à B0 Onde électromagnétique @ B. E. BELKERK 14 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Phase d'excitation et de relaxation Corps humain placé dans un aimant (B0) précession des aimantations des noyaux 1H : M0 Onde RF à la fréquence de résonance (B1), « fréquence de Larmor » excitation : absorption d’énergie (état instable)Basculement de M0 Arrêt de l’onde RF : retour à l’état d’équilibre de M0 Restitution de l’énergie : relaxation @ B. E. BELKERK 15 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Phase d'excitation et de relaxation Les ondes RF utilisées en IRM ont des durées très brèves, (impulsions ~ms) Le transfert d’énergie de l'onde RF aux noyaux se traduit par un basculement de l'aimantation totale M par rapport à sa position initiale On utilise le plus souvent des impulsions de 90° et 180°. @ B. E. BELKERK 16 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Phase d'excitation et de relaxation Etat d'équilibre apparaissant ainsi une composante longitudinale Mzo de l'aimantation Excitation par une onde RF 90° (de fréquence =f0 de Larmor) état est instable RF 90°=0  retour à l'état d'équilibre (relaxation) Par transitions inverses E2 → E1 (antiparallèles → parallèles), Mz repousse progressivement (relaxation T1) = Relaxation longitudinale Par déphasage rapide des spins, l'aimantation transversale Mxy décroît rapidement (relaxation T2) = Relaxation transversale @ B. E. BELKERK 17 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) @ B. E. BELKERK 18 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Phase d'excitation et de relaxation Etat d'équilibre apparaissant ainsi une composante longitudinale Mzo de l'aimantation Excitation par une onde RF 90° (de fréquence =f0 de Larmor) état est instable RF 90°=0  retour à l'état d'équilibre (relaxation) Par transitions inverses E2 → E1 (antiparallèles → parallèles), Mz repousse progressivement (relaxation T1) = Relaxation longitudinale Par déphasage rapide des spins, l'aimantation transversale Mxy décroît rapidement (relaxation T2) = Relaxation transversale @ B. E. BELKERK 19 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Temps T1 et T2 La phase de relaxation n'est pas instantanée  Evolution au cours du temps (caractérisée T1 et T2) Relaxation T1  Transitions inverses (antiparallèles – parallèles) longitudinale Mz Relaxation T2 Déphasage rapide des spins, Aimantation transversale Mxy @ B. E. BELKERK 20 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Equations de Bloch RMN est l’étude du retour à l’équilibre de l’aimantation après avoir perturbé le système avec une ou plusieurs impulsions RF Equations de Bloch permet de donner l’évolution temporelle de l’aimantation après l’avoir éloignée de sa position d’équilibre par l’intermédiaire d’une impulsion RF Précession et Relaxation relaxation résonance longitudinale transversale ou spin-réseau ou spin-spin T1 est appelé temps de relaxation spin – réseau T2 est appelé temps de relaxation spin - spin (avec typiquement T2 < T1) @ B. E. BELKERK 21 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Relaxation longitudinale (T1) Relaxation T1 caractérise la repousse de l'aimantation longitudinale Mz au cours du temps : T1 : temps mis par Mz pour atteindre 63% de sa valeur d’équilibre Dépend de la l’interaction spin-réseau Echange d’énergie entre le système et le milieu extérieur T1 : Croît également avec l'intensité du champ magnétique statique Bo Structure moléculaire Etat solide ou liquide de la matière @ B. E. BELKERK 22 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Relaxation transversale (T2) Relaxation T2 : Aimantation transversale Mxy décroît rapidement T2 : temps mis par l'aimantation transversale Mxy pour revenir à 37% T1>T2 T2 Dépend de la l’interaction spin- spin @ B. E. BELKERK 23 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Vue 3D du phénomène de RMN @ B. E. BELKERK 24 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Exemples de valeurs de T1 et T2 à 1,5 T et à37°C @ B. E. BELKERK 25 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Signal de précession libre : « Free Induction Decay (FID) » relaxation transversale T2 (Mxy) la décroissance de Mxy se fait La bobine est utilisée pour de manière exponentielle et mesure le signal de précession engendre un courant induit libre (FID) dans une bobine (ou antenne de réception) située sur l’axe Oy t S (t ) S 0 e sin( 2ft ) T2 @ B. E. BELKERK 26 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Notion de T2* En réalité: 1) Bo n'est jamais homogène (Instrumental) 2) Inhomogénéités de champ d'origine moléculaire dû au déphasage des spins Entraîner un déphasage encore plus des spins Il n’y a pas d’effet sur la relaxation T1 On utilise le symbole T2* pour représenter la conjonction de ces deux effets @ B. E. BELKERK 27 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) B0 inhomogène  accélérer le déphasage des protons Comment remonté à T2 ??? Trouver une technique pour remonter à T2 à partir de T2* Séquence d'écho de spin @ B. E. BELKERK 28 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Séquence d'écho de spin consiste en l'application d’une 2ieme onde de RF 180° après l'arrêt de la 1iere (RF ~ 90°) RF180° va inverser l'ordre des déphasages (sans modifier le sens de rotation) Les protons les plus déphasés se retrouvent moins déphasés et inversement @ B. E. BELKERK 29 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Mécanisme d’écho des spins Les spins rouges et bleu précessent plus vite en raison des ∆B locaux que les spins jaunes et verts L’effet des seuls ∆B, constants, est éliminé dans l’écho des spins @ B. E. BELKERK 30 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Phase de compensation Spin-Echo @ B. E. BELKERK 31 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Mécanisme d’écho de spins @ B. E. BELKERK 32 RAPPELS DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) Mécanisme d’écho de spins La plage du temps séparant l'impulsion de 90° de l'impulsion 180° est appelé le demi-temps d'écho (TE/2) spins après un temps égale à deux fois ce temps (TE/2) les spins se rejoignent (en phase) Ce cycle qu'on vient de décrire, ne permet d'obtenir qu’une ligne d'une matrice d'image il est nécessaire de répéter (intervalle de temps TR) pour chaque ligne (cycle d'impulsions de 90° @ B.et 180°) E. BELKERK 33 @ B. E. BELKERK 34 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) PONDÉRATION d’image Signal d’écho de spins est donné par la relation :  TR  L   TE   T1  L   T2  TR   TR  L  1  exp   Relaxation T1 (longitudinale)  TE   TE  Relaxation T2 (transversale)  T1   T1  T  exp     T2  T2 Propriétés intrinsèques du tissu :  Densité de spin M0= ρ  Temps de relaxation longitudinal T1  Temps de relaxation T2 Propriétés extrinsèques du tissu (modifiables par l’opérateur)  Angle de bascule  (90° ou 180°)  Temps de repousse tr  Temps d’écho te @ B. E. BELKERK 35 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) LES ACTEURS DU SIGNAL  M0 ou ρ : Densité de spin, dépend de l’hydratation tissulaire.  T1 :  Temps de relaxation spin-réseau  Univers longitudinal  Caractérise la pousse  Énergétique  T2 :  Temps de relaxation spin-spin  Univers transversal  Caractérise la décroissance  Non-énergétique / entropique (déphasage) @ B. E. BELKERK 36 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) LES DIFFÉRENTS TYPES de pondérations  Une pondération est une combinaison de paramètres choisis par l’opérateur (Extrinsèques) : tr, te  On utilise différentes pondérations pour étudier les différentes propriétés du tissu: T1, T2, ρ  On peut distinguer 3 types de pondérations @ B. E. BELKERK 37 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) LES DIFFÉRENTS TYPES de pondérations  Pondération en T1 :  tr ~ T1 (court)  te très court  Pondération en T2 :  tr long (>7. T1)  te ~T2 (long)  Pondération en ρ:  tr long (>10. T1)  te très court @ B. E. BELKERK 38 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) Effet de la variation de TE à TR donné @ B. E. BELKERK 39 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) Effet de la variation de TR à TE donné @ B. E. BELKERK 40 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) TR entre 400 et 600ms (idéal = 500ms) Pondération en T1  Si TR < 400 ms, peu de repousse, donc peu de signal et de contraste en T1 Si TR > 600 ms, trop de repousse, influence de la densité protonique TE< 20 ms (le plus court possible) Si TE augmente, influence de la relaxation T2 et signal plus faible @ B. E. BELKERK 41 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) Si TR< 3000 ms, influence de la relaxation T1  Il faut allonger le temps d’acquisition (TR>3000 ms) Pondération en T2 ou TR > 3000 ms (le plus long ρ possible) Si TE< 30 ms (TE court)  Pondération ρ TE > 100 ms (TE long)  Pondération T2 @ B. E. BELKERK 42 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) @ B. E. BELKERK 43 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) @ B. E. BELKERK 44 APPLICATIONS DE LA RMN À L’IMAGERIE MÉDICALE (IRM) @ B. E. BELKERK 45 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Notions sur les techniques de fabrication d’images IRM RMN = résonance magnétique nucléaire temps, fréquence, spectroscopie pas d’information spatiale IRM = imagerie par résonance magnétique introduction de l’information Variation spatiale du Comment spatiale localiser le ? champ magnétique signal ? (Gradient) En IRM, la localisation spatiale du signal de l'image fait appel à deux notions primordiales : l'utilisation d'un outil physique : les gradients de champs magnétiques; l'utilisation d'un outil mathématique : la transformée de Fourier @ B. E. BELKERK 46 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale Codage de fréquence :champ B0 statique constant On ajoute un "gradient" au champ magnétique principal B 0 qui dépend donc maintenant de z (B 0 ( z ) = B 0 + Gz.z) @ B. E. BELKERK 47  IRM 3.0 Tesla Y Champs stationnaire X B0 Z @ B. E. BELKERK 48 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale Pour sélectionner la coupe : on ajoute un "gradient" au champ magnétique principal B0 qui dépend donc maintenant de z B0(z)=B0+Gz.z La fréquence de Larmor (fréquence résonance) devient donc une Fonction de z : Fréquence de résonance dépend 2π.f = ω = γ (B0+z.Gz) de z @ B. E. BELKERK 49 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale En présence d’un gradient Gz la fréquence de résonance dépend de z Le choix de la fréquence d’excitation RF permet de sélectionner une coupe Grâce au gradient de coupe ( B0 n’est plus constant), on ne "bascule" que @ B. E. BELKERK 50 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES FID : Free Induction Decay (induction libre) Domaine Domaine temporel : fréquentiel : Codage de fréquence :champ de gradient linéaire Gx ω=γ (B 0+xGx ) x @ B. E. BELKERK 51 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale Champ Magnétique Champ Magnétique B0 Position @ B. E. BELKERK 52 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale @ B. E. BELKERK 53 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale Codage en phase (gradient Gy) Codage en fréquence (gradient Gx) Représentation des trois gradients de l'appareil dans les trois axes (x, y, z) Pour sélectionner la coupe @ B. E. BELKERK 54 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale Chaque point k (kx,ky) une valeur qui dépond directement de l’intensité du signal RMN (Niveau de Gris) @ B. E. BELKERK 55 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale Echo de spin Section de coupe Gz Gy Gx t = TR : REPETITION 90° - 180°… autres lignes plan de Fourier @ B. E. BELKERK 56 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Acquisition d’une image L’image en RMN est réalisée en deux étapes : - L'acquisition du plan de Fourier (codage spatial), Gradient  localisation spatiale Pour chaque point de l’espace  on a une fréquence différente (f(Hz)=fonction(x,y,z)) - La reconstruction (transformation de Fourier) @ B. E. BELKERK 57 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Acquisition d’une image La transformée de Fourier est une opération mathématique qui permet de représenter en fréquence des signaux. Si l'objet à imager est décrit par une fonction f(r) avec r le vecteur direction de coordonnées (X,Y,Z), sa transformée de Fourier est donnée par : F(kr) = ∫∫∫ f(r) exp[-2jπ (kr.r)]. dr où kr= (kX, kY, kZ) correspond aux fréquences spatiales du plan de Fourier @ B. E. BELKERK 58 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale 4T Aiment Bobine RF B0 Bobine gradient (à l’intérieure) Equipement Aiment B0 Bobine Gradient Bobine RF @ B. E. BELKERK 59 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Principe de la localisation spatiale @ B. E. BELKERK 60 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Bobine de radiofréquence  La bobine de radiofréquence nous donne différents champs de vision dépendemment de sa forme @ B. E. BELKERK 61 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES @ B. E. BELKERK 62 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Représentation d'un ensemble d'antennes couramment utilisées en IRM @ B. E. BELKERK 63 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Exemple :antennes en quadrature Ce type d'antenne comprend deux bobines, permettant de réceptionner deux composantes du signal décalées de π/2 (en quadrature), ce qui conduit à un gain@en rapport signal sur bruit B. E. BELKERK 64 de ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Plan d'une installation IRM La salle  la cage de Faraday avec les lignes de champ magnétique @ B. E. BELKERK 65 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Notion d’Echo de Gradient Section de coupe Séquences Gz Séquence d’Echo de Spin d’acquisitions : Gy Echo de Spin Echo de Gradient Gx ………….. Séquence d’Echo de Gradient @ B. E. BELKERK 66 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Notion d’Echo de Gradient Echo de spin: Avantages Echo de spin : inconvénients  R signal / bruit élevé  Des temps TR longs sont séquence la moins sensible incompatibles avec les acquisitions aux artefacts 3D mécanismes de contraste plus faciles à comprendre Section de coupe Gz Séquence d’Echo de Spin Gy Gx @ B. E. BELKERK 67 ARCHITECTURE D’UN APPAREIL D’IRM ET RÔLE DE CHACUN DE SES MODULES Notion d’Echo de Gradient Echo de Spin versus Echo de Gradient Gradient de lecture Gx ou Gw Spin Echo Gradient Echo dephase gradient gradient frequency encode readout rephase  RF pulse  RF pulse signal signal FID spin  FID gradient recalled echo RF pulse echo Paramètres Extrinsèques ES : TR et TE Paramètres Extrinsèques ES : TR ,TE et l’angle de basculement 0