Base physique IRM Squences Echo de Spin et

Base physique IRM Séquences « Echo de Spin » et « Echo de Gradients » Magnetic Resonance Imaging (MRI) Kernspintomography Jacques Felblinger UHP- INSERM U 947 j. felblinger@chu-nancy. fr

Bibliographie http: //www. imaios. com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN - IRM pas à pas - Guide des technologies de l’imagerie médicale, Masson, Dillenseger/Moerschel - Collection d'imagerie radiologique, Comprendre l'IRM, Masson, B Kastler - MRI from Picture to Proton, , Cambridge, Mc. Robbie et al.

Bibliographie - Handbook of MRI, Pulse Sequences, Bernstein et al - Magnetic Resonance Imaging, Springer, M Vlarrdingerbroek - MRI, physical Principles and Sequence Design, Haake et al

Le Web ISMRM www. imaios. com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN JMRI et MRM ESMRMB GRAMM devient SFRMBM

Comment comprendre l’IRM ? 1) a) b) c) d) Physique de l’IRM Comprendre d’où vient le signal Relaxation T 1, T 2* Echo de spin (spin echo) Echo de gradients (Gradient Echo) 2) a) b) c) d) Formation de l’image Excitation d’une coupe Codage en fréquence Codage en phase « vrai » séquence IRM 3) Contraste en IRM

Comment ça marche? Champ magnétique (le plus grand possible): 1, 5 T = 30 000 x Champ terrestre Émetteur - Récepteur Radiofréquence

Principe de base de l’IRM Etape 1 Etape 2 Champ magnétique intense (supraconducteur) Etape 3 Apport d’énergie radiofréquence, Absorption d’énergie dans le corps n= g 2 p * Récupération (relaxation), Réception d’énergie radiofréquence B u = fréquence de résonance (Hz) g = rapport gyromagnétique (fonction de l'atome) B standard =1. 5 Tesla, u= 64 MHz = 64 000 Hz

Onde radiofréquence Émetteur: toutes les fréquences de la bande FM Accord avec le récepteur (sélection fréquence) L’IRM utilise le même type de fréquence que le poste radio.

Champ magnétique additionel Champ magnétique statique Fréquence = 64 000 Hz Oreille droite: 1, 5 T + 1, 5 m. T Fréquence = 64 000 Hz Oreille gauche: 1, 5 T -1. 5 m. T Fréquence = 63 936 000 Hz = codage spatial -1, 5 m. T +1, 5 m. T -64000 Hz +64000 Hz 63 936 000 Hz 64 000 Hz 1, 500 Tesla 64 000 Hz

Champ magnétique additionnel Champ magnétique statique (Supra-conducteur) Spires supplémentaires gradient de champ (axe z)

1ère expérience IRM (1) Générateur + Amplificateur + Antenne d’émission n Bo n Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception

1ère expérience IRM (1) Générateur + Amplificateur + Antenne d’émission n Bo n Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception Emission B 1 (RF) Réception t Free Induction Decay (FID) t Sequence IRM (Pulse Sequence Diagram)

1ère expérience IRM (2) Emission B 1 (RF) Réception t Free Induction Decay (FID) t Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T 2 e-t/T 2 B 0 homogéne Fréquence du signal = Fréquence de résonance Signal = ρ. sin (ωt). exp(-t/T 2)

Mz Mxy Longitudinal, T 1 y e-t/T 2 x Transversale, T 2

Origine de la chute plus rapide du signal fréquence 1 y fréquence 2 fréquence 1 fréquence 2 x Différentes fréquences = somme vectorielle chute vite T 2 Différentes fréquences = liées à la structure moléculaire (liées à la qualité du champ magnétique)

Relaxation T 2 (amplitude du signal mesurée) Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversale interaction spin-spin constante de temps T 2 Mz=exp(t/T 2)) T 2<<T 1 T 2=50 ms 5*T 2= 98% T 2 graisse=80 ms T 2 muscle=45 ms T 2 LCR=160 ms 63% 37% Plus de signal

Relaxation T 1 (mémoire Mz) Excitation puis retour à l'équilibre (spin-réseau) constante de temps T 1, Longitudinale Mz=Mo(1 -exp(t/T 1)) T 1=500 ms 5*T 1= 98% T 1 graisse=260 ms T 1 muscle=870 ms T 1 LCR=2400 ms 63% Retour À l’équilibre

Révision (B 0, B 1, T 2) Aimant (magnet): dispositif produisant le champ magnétique principal (appelé B 0) = 1, 5 T Antenne (coil) : Élément utilisé en IRM pour l’émission et le recueil du signal. ( tête, cou, abdomen, pelvis, membre, etc. . ) Champ Radiofréquence (RF): Onde radiofréquence similaire à celles utilisées pour la radiodiffusion (appelé B 1) 64 MHz à 1, 5 T 128 MHz à 3 T pour retour à l’équilibre Constantes de Temps T 1 et T 2 T 1 = relaxation longitudinale T 2 = relaxation transversale T 1 et T 2 = fonction de la structure moléculaire

(en pratique) Homogénéité de B 0= 1, 5 T -> fréquence de Larmor = 64 000 Hz Zone homogène B 0 - B 0 est homogène seulement dans une sphère de 50 cm au milieu de l’aimant. homogénéité en ppm (décalage 1/1000 000, quelques m. T = quelques Hz) - Conséquence: il faut toujours déplacer la région d’intérêt au milieu de l’aimant - Réglage de homogénéité = SHIM (pour les séquences sensibles, pour les extrémités)

(en pratique) B 1 (antenne) perpendiculaire à B 0 B 0 dans l’axe du tunnel Par définition: axe z Axe antenne dans Plan perpendiculaire B 0

Antennes dédiées Spine Torso-pelvis Coeur Extremities Extrémités

Antennes volumiques Antennes de surface

Orientation B 0 et B 1 B 0 Comment placé une antenne cou Idéalement? Signal?

90° ? Angle de bascule (flip angle) Transmit. RF Energie t Emission B 1 (RF) Receive. RF t Réception 0° 90° 180° Angle de bascule α =90° le plus de signal, bascule dans le plan xy

Angle de bascule (flip angle) Angle de bascule en degrés 90° = max signal, mais on peut appliquer moins une impulsion de 90°, passage plan transversal Plus l’angle est petit, moins d’énergie est transmise Plus vite on peut recommencer une nouvelle mesure Mz Mxy

Révision (B 0, B 1, angle de bascule) B 0 = champ magnétique (permanent) Homogénéité = sphère de 40 -50 cm de diamètre Réglage du champ magnétique = Shim (bobine additionnelle) B 1 = Champ radiofréquence (impulsion courte ms) Antenne émission ou réception perpendiculaire à l’axe de B 0 Angle de bascule (amplitude + durée de l’impulsion radiofréquence) = énergie Angle de bascule = 90° = bascule dans plan transversal B 0

Echo de Spin (Spin Echo) 180 90 Emission B 1 (RF) t écho FID t Réception TE/2 pas phasé déphase Déphasé Inversion progressif déphasage TE/2 Rephasage progressif Phasé ECHO

Echo de spin 180° 90° RF TE/2 echo TE/2 z M Signal b c d e f g O Temps x y

Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T 2 B 0 homogéne e-t/T 2 Cas 2 (réalité) Champ Magnétique imparfait, Molécule complexes: décroissance T 2* B 0 non homogéne T 2*<T 2 e-t/T 2* B 0

Cas 2 (réalité) Champ Magnétique imparfait, Molécule complexes: décroissance T 2* B 0 non homogéne T 2*<T 2 e-t/T 2*

(ingrédients d’une séquence) Echo de Spin 180 90 Echo TE/2 Bascule dans plan xy Déphasage Inversion Déphasage Echo Lecture TE = temps d’écho Annule les inhomogénéités de B 0!!! (défauts) Donc atténuation T 2 pas T 2* t

Echo de gradients t + - φ FID T 2* B 0 t B 0 x écho t

Echo de Gradient a TE RF echo z Signal M Gradient O b c d ee f x Temps y

(ingrédients d’une séquence) Echo de Gradient α Echo TE/2 Bascule pas dans le plan xy Déphasage Rephasage Par gradient Echo Lecture TE = temps d’écho 1) Reste sensible aux inhomogénéités de B 0!!! (défaut) T 2* pas T 2 2) Beaucoup plus rapide qu’un séquence écho de spin t

Comment comprendre l’IRM ? 1) a) b) c) d) Physique de l’IRM Comprendre d’où vient le signal Relaxation T 1, T 2* Echo de spin (spin echo) Echo de gradients (Gradient Echo) 2) a) b) c) d) Formation de l’image Excitation d’une coupe Codage en fréquence Codage en phase « vrai » séquence IRM 3) Contraste en IRM

Codage en phase et en fréquence Coupe Séquence= sélection coupe + codage k Z Image brute puis transformée de Fourier Espace k (matrice) Plan TF Phase Y Image (matrice) X Fréquence

Remplissage espace k coupe + RF Codage phase lecture Coupe Excitation Préparation Acquisition X lignes de phase…. Préparation Acquisition

Excitation d'une coupe (slice) Sélection de la coupe fréquence 10 m. T/m Excitation Réception Transformée de Fourier Pas de tranche parfaite…… Résonance

Excitation d'une coupe (slice) 1 er impulsion Radiofréquence + Gradient de champ magnétique (sélection de coupe, slice gradient) = Résonance seulement sur une coupe (slice) Impulsion: sinc=sin(x)/x Impulsion courte (<ms) MAIS, il faut appliquer le gradient de champ magnétique

Gradient = déphasage t Gradient de champ magnétique = fréquence de précession différente Pendant durée du gradient Déphase du signal lié à la localisation Pas de gradient t y x

Gradient de phase coupe Codage en phase Position de la ligne de phase F-d. F F+d. F Grad

Gradient = déphase à compenser Emission B 1 (RF) t Free Induction Decay (FID) t Réception Gradient coupe Gradient Coupe+ refocalisation pour “rattraper” les déphasages du gradient de sélection de coupe Gradient de champ entraine un déphasage

coupe Gradient de lecture (fréquence) fréquence fo+df Acquisition d’une ligne de l ’espace k IRM fo-df Grad

Remplissage espace k coupe + RF Codage phase lecture Coupe Excitation Préparation Acquisition X lignes de phase…. Préparation Acquisition

Une vrai séquence Echo de spin RF Gz (coupe) Gy (phase) Gx (lecture) Signal TE/2 TR

Révision (Séquence) Séquence = Excitation (sélection du plan de coupe) + déphasage (codage 1) + lecture (codage 2) Remplir le plan de Fourier, nb de ligne de phase = temps = nombre de TR Un gradient de champ magnétique = déphasage du signal Compensation de chaque gradient de champ magnétique par un gradient inverse TR = répétition, Matrice = temps d’acquisition

Séquence Echo de Spin TR 90 180 Echo ligne TE Séquence Echo de Gradient TR α Echo ligne TE α Echo ligne

Séquence Echo de Spin/Echo de Gradient TR 90 180 Echo ligne Spin Echo: Beaucoup de temps d’attente Echo de Gradients: Remplissage rapide de l’espace k TR α Echo ligne

Séquence Echo de Spin/Echo de Gradient TR 90 180 Echo Energie Radiofréquence: 180° très énergétique! (SAR) TR α Echo

Révision (TR, TE, Spin Echo, Echo de Gradient) TR =temps de répétition = temps entre deux acquisitions successives TE = temps d’écho = temps auquel l’écho est généré = signal mesurable Angle de bascule = 90° - 180° pour une séquence spin écho, <90° en écho de gradients Echo de Spin = séquence de base, corrige les inhomogénéités de B 0, lente Echo de gradients = séquence rapide, ne corrige pas les inhomogénéités de B 0 Fast Spin Echo = 90° - 180° -180°……. Plusieurs lignes

Aimantation résiduelle T 1 long…. Normalement il faut attendre longtemps. . Avant de refaire une nouvelle acquisition. T 1=500 ms 5*T 1= 98% T 1 graisse=260 ms T 1 muscle=870 ms T 1 LCR=2400 ms 63% Retour À l’équilibre

Aimantation résiduelle TR = temps de répétition 90 180 Echo 90 t TE Bascule dans plan xy Déphasage Lecture Détruire l’aimantation résiduelle: Spoiler, Crusher, …. Gradient ou RF: l’idée est de déphaser, mélanger….

Comment comprendre l’IRM ? 1) a) b) c) d) Physique de l’IRM Comprendre d’où vient le signal Relaxation T 1, T 2* Echo de spin (spin echo) Echo de gradients (Gradient Echo) 2) a) b) c) d) Formation de l’image Excitation d’une coupe Codage en fréquence Codage en phase « vrai » séquence IRM 3) Contraste en IRM

Equation du signal a) Perturbation (changement de niveau d’énergie), impulsion radiofréquence b) Retour à l’équilibre en fonction de 2 constantes de temps T 1 et T 2 Dépend de la séquence d’acquisition Equation du signal pour une séquence Echo de Spin Mz=Mo (1 -exp(-TR/T 1)) exp (-TE/T 2) attente lecture

Temps de répétition TR=temps de répétition Emission B 1 (RF) t FID Réception t TR long > 5 T 1 Emission B 1 (RF) Réception t FID t

Relaxation T 1 Excitation puis retour à l'équilibre constante de temps T 1, Longitudinale Mz=Mo(1 -exp(t/T 1)) T 1=500 ms 5*T 1= 98% T 1 graisse=260 ms T 1 muscle=870 ms T 1 LCR=2400 ms 63% Retour À l’équilibre

Relaxation T 2 Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversale interaction spin-spin constante de temps T 2 Mz=exp(t/T 2)) T 2<<T 1 T 2=50 ms 5*T 2= 98% T 2 graisse=80 ms T 2 muscle=45 ms T 2 LCR=160 ms 63% 37% Plus de signal

Contraste T 2 Long délai avant la mesure (TR>2 s) = pas de contraste T 1 Graisse 260 ms T 1 Muscle 870 ms T 2 Graisse 80 ms T 2 Muscle 45 ms TE TE long (100 ms) favorise contraste T 2

Pondération T 1 Délai court entre mesures (TR= 500 ms) = contraste T 1 Graisse 260 ms T 1 Muscle 870 ms TE T 2 Graisse 80 ms T 2 Muscle 45 ms TE court minimise contraste T 2

Pondération densité Délai long entre mesures (TR>2000 ms) = pas de contraste T 1 Graisse 260 ms T 2 Muscle 870 ms T 2 Graisse 80 ms T 2 Muscle 45 ms Mesure tôt= peu de contraste T 2 (<20 ms)

Révision (Pondérations T 1, T 2) Pondération T 1 n’est pas la mesure de T 1, mais la mise en évidence des différences de T 1 (idem pour T 2) Il est possible de mesure les valeurs réelles de T 1 et T 2 = mesure longue, peu utilisé en pratique clinique TR long = pas de contraste T 1 (relaxation totale) TR court = contraste T 1 TE court = pas de contraste T 2 (peu de relaxtion T 2) TE long = contraste T 2 TE trop long = plus de signal Pondération T 1 = TR court + TE court Pondération T 2= TR long + TE « long » Pondération densité = TR long + TE court

Contraste en IRM En fonction des paramètres d’acquisitions, TR, TE, angle etc. . différents contrastes sont possibles TR/TE 2500/30 densité de proton TR/TE 2500/90 pondérée T 2 TR/TE 460/11 pondérée T 1

Base du signal IRM a) Relaxation T 1, T 2 b) Contraste T 1 et Contraste T 2 c) Différence T 2 , T 2* d) Différence entre Echo de spin & Echo de gradients e) Chronogramme d’une séquence f) Espace de Fourier / Espace Image

Information du spectre 2 D origine FT 2 D origine + Centre du plan de Fourier Contrastes= basse fréquence Extérieur du plan de Fourier Détails= hautes fréquences

Espace temps/ Espace Fréquence - un seul mauvais point dans plan fréquence affecte toute l’image Plan fréquence

Espace temps/ Espace Fréquence

Révision (Espace de Fourier) Espace de Fourier = espace k Centre de l’espace de Fourier = contraste de l’image (basses fréquences) Périphérie de l’espace de Fourier = détails de l’image (hautes fréquences) Taille de la matrice de l’espace de Fourier = taille de la matrice image (nombre de ligne de phase = qualité de l’image) Image = magnitude ( transformé de Fourier de l’espace k)