RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE IRM Cours 3me Anne mdecine

RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE (IRM) Cours 3ème Année médecine 2019 -2020 PR. FZ. LECHEHEB

PLAN

I / INTRODUCTION II/ DEFINITION MAGNETISME NUCLEAIRE 1 -RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE 2 -MAGNETISME NUCLEAIRE III / PRINCIPE DE RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE++++ 1 - POLARISATION 2 -EXCITATION-IMPULSION 3 -RELAXATION 4 - SIGNAL IRM IV / CONTRE-INDICATIONS V / CHAINE IRM D’INSTRUMENTATION 1 - AIMANT/ BOBINES DE GRADIENT ET DE SHIM 2 - ONDES RF OU ELECTRO-MAGNETIQUE 3 - ANTENNES 4 - SYSTEME INFORMATIQUE TRAITEMENT 5 - CONSOLE IRM VI / APLLICATIONS VII / CONCLUSION

OBJECTIFS

1 / Faire connaître la RMN (à savoir comment obtenir une image en partant de la physique quantique jusqu’aux applications avancées et derniers développement de l’IRM) 2/ Décrire la chaîne d’instrumentation (différents composants) 3/ Faire comprendre le principe de la RMN 4/ Apprendre les contre-indications de cette imagerie++++

INTRODUCTION

RMN -Technique d’imagerie depuis 1980 -Elle est de première importance

L’imagerie par résonance magnétique est une modalité d’imagerie en plein développement, aussi bien technologique dans ses applications cliniques. Ce développement tient à l’originalité de ses fondements, au croisement de la physique nucléaire, des mathématiques, de la chimie, de la biologie et de la physiologie

AINSI *Technique d’imagerie à visée diagnostique puissante, fournit des images tridimensionnelle, en coupe et de grande précision anatomique. coupe grande précision anatomique *Récente, non invasive et sans effets secondaires connus, basée sur le phénomène physique de résonance magnétique nucléaire

COMMENT S’OBTIENT L’IMAGE RMN (IRM) ?

PRESENTATION DES IMAGES OBTENUES PAR LA TECHNIQUE D’IMAGERIE IRM

VX ENCEPHALIQUES IRM CEREBRALE SEQUENCE T 2

IRM SINUS VEINEUX CEREBRAUX POLYGONE DE WILLIS

IRM GENOU SEQUENCE EN DENSITE PROTONIQUE PLAN SAGITTAL IRM DU PIED

IRM EPAULE IRM POIGNET

IRM DU SEIN

DEUX POINTS A DEVELOPPER 1 -DESCRIPTION DU PHENOMENE DE RMN 2 -EXPLICATION DE L’ORIGINE DE L’AIMANTATION

QUE SIGNIFIE RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE?

MAGNETISME ET NUCLEAIRE

PREMIEREMENT LE TERME DE NUCLEAIRE

MAGNETISME NUCLEAIRE NOYAUX DES ATOMES A Z IMPAIR DES TISSUS BIOLOGIQUES PROTON

SUBSTANCES QUI COMPOSENT LES TISSUS BIOLOGIQUES AUX ATOMES À Z IMPAIR *Phosphore 31 *Carbone 13 * Hydrogène 1

SPIN NUCLEAIRE - RMN repose sur les caractéristiques physiques du PROTON. - PROTON : assimilé à un micro-aimant.

PROTON Particule de noyaux atomiques, présente un magnétisme détectable *Moment magnétique µ +++++ *Moment cinétique angulaire I dit Spin.

Le Proton H 1 de la molécule d’eau (H 2 O) est H 1 de la molécule d’eau plus prépondérant dans l’organisme. Le Proton des graisses (-CH 2): degré moindre.

ERE 1 PARTIE

INSTRUMENTATION DE BASE D’UNE CHAINE D’IRM

PRESENTATION DE L’IMAGEUR IRM *À ciel fermé *A ciel ouvert

Imageur À ciel fermé Gantry comprend : - AIMANT PRINCIPAL - BOBINES DE GRADIENT ET DE SHIM

IRM A CIEL FERME / CAGE DE FARADAY

IRM A CIEL OUVERT AIMANT PERMANENT 1 TESLA

SALLE OÙ SE TROUVE L’IMAGEUR

IMAGEUR DANS CETTE ENCEINTE CUIVREE PORTE ENTREE DANS LA CAGE DE FARADAY

CAGE DE FARADAY : Imageur IRM placé dans une salle appelée : cage de FARADAY afin de l’isoler des signaux RF extérieurs qui pourraient altérer le signal. En cuivre (plaques de cuivre recouvrant : sol, murs, plafond de la salle. ), la cage de FARADAY englobe complètement l’IRM et empêche les ondes de RF produites par le système.

FREQUENCE DE RESONANCE DES PROTONS Très proche de celle des ondes utilisées pour la radiophonie publique et la bande FM

COMMENT PLACER LE PATIENT DANS LE TUNNEL DE L’IMAGEUR DANS LA CAGE FARADAY? CAGE FARADAY

PATIENT PLACE DANS LE TUNNEL

-Patient placé dans le tunnel de l’aimant (élément principal) -Il dispose d’une qualité de confort plus importante grâce: *La ventilation *L’éclairage *Communication avec l’opérateur à l’aide de micros

DESCRIPTION DE L’IMAGEUR

GANTRY DE L’IMAGEUR COMPREND *AIMANT *BOBINES DE GRADIENT *BOBINES DE SHIM

1 er élément de la chaine Aimant Bobines de gradient Bobines de shim Tous localisés dans le gantry

PRESENTATION D’UN SCHEMA DU GANTRY ET DES DIFFERENTS COMPOSANTS

AIMANT PRINCIPAL

AIMANT PRINCIPAL

Bobine supraconduct. RICE = AIMANT

AIMANT -Dispositif indispensable +++ -Caractérisé par un champ magnétique B 0 -Stable dans le temps -Homogène spatialement -Intensité suffisante

INTENSITE DE L’AIMANT Différentes intensités *Haut champ: 1, 5 T , 3 T, 7 T *Bas champ : 0, 5 T, 1 T

Plusieurs aimants existent : -Permanent - Résistif -Supraconducteurs: &)Electro-aimants en forme de bobines &)Système de refroidissement: Hélium liquide entouré d’azote liquide (entretiens réguliers)

BOBINES DE GRADIENT (créer un gradient de champ) CODAGE SPATIAL DE L’IMAGE BOBINES DE SHIM: (Shimming) HOMOGEINISATION DU CHAMP

2ème élément d’instrumentation de base de la chaine de RMN

CHAINE DE RADIO-FREQUENCE 1/ EMETTEUR D’ONDES DE R F 2/ ANTENNE

EMETTEUR D’ONDE DE RADIO-FREQUENCE -Synthétiseur piloté par un processeur permettant la création d’une série d’impulsions électriques de brève durée et d’amplitude bien déterminée. -L’impulsion est angulaire ( θ = 90° ou 180°)

1/ C’EST QUOI L’ANTENNE ? 2/COMMENT PLACER L’ANTENNE ? 3/ DIFFERENTS TYPES D’ANTENNES ?

ANTENNE -Constituée d’un ou de plusieurs anneaux de cuivre - Recueille le courant induit obtenu: FID =signal IRM. - Placée dans le plan de mesure (région à explorer)

LES TYPES D’ANTENNE

ANTENNE VOLUMIQUE TETE

Comment est placée l’antenne tête?

CORRECTEMENT PLACEE SUR LA REGION A EXPLORER ANTENNE PHASED ARRAY

-Antennes en quadrature -Détection du signal et son recueil se fait à l’aide de détecteurs déphasés de 90° Souvent utilisées

ANTENNE VOLUMIQUE GENOU

Antennes de surface : -Homogènes, réceptrices uniquement -Planes, Circulaires, Rectangulaires, -Flexibles adaptées à l’organe à étudier. Ex : antenne rachis, épaule, poignet

ANTENNE RECEPTRICE UNIQUEMENT DE SURFACE

ANTENNES DE SURFACE FLEXIBLES

ANTENNE CORPS Intégrée à l’aimant Emettrice et Réceptrice (VOIR SCHEMA)

ANTENNE CORPS INCORPOREE A L’AIMANT

3ème élément d’instrumentation de la chaine de d’ de RMN

SYSTEME D’ACQUISITION DES DONNEES

CHAINE D’AMPLIFICATION DE MESURE Signal détecté non intense, converti du domaine des hautes fréquences (MHZ) au domaine des fréquences moyennes (KHZ) par la TF CONVERTISSEUR ANALOGIQUE /DIGITAL Transforme le signal de mesure en numérisé SYSTÈME INFORMATIQUE Stockage et traitement des données

ÈME 2 PARTIE

PRINCIPE D’IRM +++

IRM DITE DE PRECESSION ET MOUVEMENT DE PRECESSION Que signifie ce terme précession?

Précession En présence d’un champ magnétique externe B 0 uniforme, constant et suffisamment important, les moments magnétiques μ des protons H 1 d'hydrogène se mettent à tourner autour de la direction du champ magnétique externe B 0 selon un angle donné. Leurs mouvements sont analogues à ceux des toupies et ils décrivent des cônes de révolution autour de l'axe de B 0.

Le mouvement de rotation des protons H 1 sous l'influence du champ magnétique externe B 0, est appelé : MOUVEMENT DE PRÉCESSION D’OÙ IRM dite de précession

FREQUENCE DE LARMOR C’est quoi?

En physique, la fréquence de Larmor désigne la fréquence de précession de noyau d’atome (le proton) d'un moment magnétique μ et plongé dans un champ magnétique B 0. En réalité une vitesse angulaire : ω angulaire 0

Equation de LARMOR ω = γ B 0 ω : vitesse angulaire du mouvement de précession γ : rapport gyromagnétique B 0 : l'intensité champ magnétique γ = 42. 57 MHz/T (Hydrogène)

• Si B 0 augmente, la fréquence de précession augmente • À 1. 5 T, la fréquence de précession du proton de l'hydrogène est de 63. 86 MHz.

COMMENT EST OBTENU LE SIGNAL IRM ?

Le principe fondamental de la RMN repose sur trois importantes étapes

TROIS ETAPES CENTRALES Expliquent le principe fondamental ++++++ 1) -POLARISATION DES PROTONS H 1 2)- EXCITATION-IMPULSION ANGULAIRE TRES BREVE DES ( H 1) 3) - RELAXATION

PREMIERE ETAPE Comment obtenir la polarisation de H 1 ?

AU REPOS : Les protons H 1 du voxel de tissu biologique, animés d’un mouvement de rotation autour de leur axe, ont une somme d’aimantation nulle Somme de µ = 0 donc M = 0

H 1 VOXEL DE TISSU BIOLOGIQUE = PROTON H 1 ORIENTES DANS TOUS LES SENS ETAT DES ATOMES AVANT L’EXPOSITION AU CHAMP MAGNETIQUE B 0

A L’ETAT D’EQUILIBRE -Aimantation totale (M) d’un volume de tissu biologique est nulle M = 0 -Protons H 1 sont orientés dans tous les sens

AU REPOS : Les protons H 1 du voxel de tissu biologique, animés d’un mouvement de rotation autour de leur axe, ont une somme d’aimantation nulle.

QUE FAUT -IL FAIRE?

Champ magnétique extérieur B 0 -Constant, Stable, Homogène -Uniforme , Intense Sous l’action de B 0, les protons H 1: 1 -Vont tourner à la même fréquence autour de B 0 sur un cône de même angle 2 - Ont des phases différentes (déphasés entres-eux)

M // B 0

Vecteur M: direction parallèle à B 0 Aimantation nucléaire totale M: Aimantation nucléaire totale M Deux composantes: 1 -Aimantation longitudinale (ML): Projection de M suivant l’axe OZ parallèle à B 0. 2 - Aimantation transversale Projection de M sur l’axe XY perpendiculaire à B 0

DEUXIEME ETAPE Comment procéder?

ONDE DE RADIOFREQUENCE OU ONDE ELECTROMAGNETIQUE

EXCITATION –IMPULSION BREVE ET ANGULAIRE PAR ONDE RF (champ oscillant B 1) Mettre en position hors d’équilibre le voxel de tissu biologique par ondes de RF(ondes électromagnétiques

Lors du transfert d’énergie suite à : l’impulsion -excitation au sein des protons H 1 Deux phénomènes: RESONANCE 1/ Fréquence de l’onde bien déterminée: 1/ Fréquence de l’onde Si son énergie est égale à la différence entre les états d’énergie des protons H 1, il se produit le phénomène dit de RESONANCE 2/ 2/ Fréquence de rotation des protons H 1 Doit être la même que celle de l’impulsion de la fréquence émise, cette fréquence est la appelée: Fréquence de LARMOR.

2 - BASCULEMENT ANGULAIRE DU VOXEL Action du champ magnétique oscillant de l’onde électromagnétique: Basculement de l’aimantation totale M par rapport à sa position initiale d’un angle -de: 90° ou 180°. -Peut être de: 30°, 45° ou 60°.

Z Y x

L’aimantation M fait avec: le champ B 0, un angle θ = 90°. M se décompose en : M se décompose en -MT qui est projetée sur l’axe XOY -ML sur l’axe OZ // B 0.

Phase d’excitation et Basculement angulaire (transfert d’énergie suivi de résonance ) se traduisent par : -Apparition de l’aimantation transversale MT. Courant induit (FID) Il est recueilli par l’antenne placée sur l’axe de mesure (région à explorer), sous forme d’un Signal IRM

TROISIEME ETAPE Relaxation +++

RELAXATION: Retour à l’équilibre non instantané de Retour à l’équilibre l’aimantation tissulaire M selon ses deux composantes MT et ML

La relaxation suit une loi complexe exponentielle caractérisée par deux temps : T 1/T 2

Relaxation longitudinale signifie: repousse de la composante ML. Relaxation transversale signifie décroissance ou chute de MT (100% crée, diminue très rapidement pour s’annuler). - -Relaxation suit une loi exponentielle *Son évolution au cours du temps caractérisée par deux temps T 1 et T 2 ( Paramètres tissulaires) *T 1 / T 2 varient suivant: T 1 / T 2 - l’état normal ou pathologique du tissu.

AIMANTATION LONGITUDINALE (ML) COMPOSANTE DE M

AIMANTATION LONGITUDINALE /COURBE DE REPOUSSE DE ML LE TEMPS T 1 REPRESENTE 63% DE SA VALEUR D’EQUILIBRE

T 1 : C’est le temps mis par ML ou MZ : Aimantation longitudinale quand elle atteint 63% de sa valeur d’équilibre (la repousse) après l’arrêt d’une impulsion angulaire de 90°. T 1 des tissus biologiques dépend fortement de : T 1 -Intensité du champ B 0 utilisé. -Micro-viscosité du milieu. -Masse / Taille des molécules constituant le tissu

AIMANTATION TRANSVERSALE (MT)

AIMANTATION TRANSVERSALE / COURBE DE DECROISSANCE MT T 2 = 37% DE FID EST RECUEILLI PAR L’ANTENNE AVANT DE S’ANNULER 100% De FID

T 2 -Temps mis par l’aimantation transversale MT lors de Temps sa décroissance rapide après l’arrêt de l’impulsion de décroissance rapide 90°. -T 2 représente MT à 37% de sa valeur initiale avant de s’annuler. -T 2 est d’autant plus long que l’échantillon est fluide (liquide).

SIGNAL DE RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE (FID)

FID Signal de précession libre = Signal IRM -Recueilli sous forme d’un courant induit mesuré après amplification par l’antenne de détection placée sur le plan de mesure XY. - Signal IRM : oscillations amorties car l’aimantation transversale décroît au cours du temps

CONTRE INDICATIONS DE L’IRM ++++

METAUX ++++ -Corps étranger métallique ferro-magnétique intra oculaire -Clips vasculaires cérébraux -Valves cardiaques -Agrafes chirurgicales (thoracique) DISPOSITIFS MEDICAUX -Stimulateur cardiaque -Pompe à insuline -Neuro-stimulateurs

ETAT DU PATIENT -Impossibilité de rester allongé et immobile assez longtemps -Claustrophobie -Insuffisance rénale sévère

APPLICATIONS DE L’IRM

IRM CEREBRALE / MEDULLAIRE/ CEREBRO-MEDULLAIRE Bonne exploration *Encéphalique *Médullaire et Nerfs crâniens

IRM CARDIAQUE *Technique de référence pour l’évaluation de la fonction cardiaque. *Etude morphologique et dynamique du cœur et des gros vaisseaux. *Antenne cardiaque: indispensable mais coûteuse * Service hyperspécialisé avec cardiologue et radiologue

ANGIO IRM ou ARM *Destinée à l’exploration du territoire vasculaire *En contraste spontané time of fligt : 2 D TOF ou 3 D TOF *Injection de gadolinium (ARM)

IRM FŒTALE / NEONATALE/ PEDIATRIQUE -Détermination des malformations du fœtus en anténatal. -Usage large en néonatologie et pédiatrie -Sédation immobilisation (longue durée). IRM PELVIENNE - Par antenne endo-orificielle (rectale, vaginale) - IRM gynécologique fréquente de nos jours (col/utérus/ovaires) - Exploration des glandes séminales et prostate

IRM OSTEO-ARTICULAIRE Bonne exploration *Ligaments *Tendons *Ménisques

CHOLANGIO -IRM OU BILI- IRM OU PANCREATO-CHOLANGIO-IRM (CPRM) *Examen non invasif et rapide. *Etude des liquides stationnaires (bile) en supprimant le signal des autres tissus. *Explore: voies biliaires (intra et extra hépatique), wirsung pancréatique sans injection de produit de contraste.

MODALITES D’IRM

IRM DE DIFFUSION Déplacement des molécules d’eau dans les tissus qui dépend de l’intégrité de la cellule et de la densité tissulaire, mesuré à l’échelle microscopique. IRM DE PERFUSION : Technique permettant de mesurer des paramètres fonctionnels: *Volume sanguin cérébral (VSC) *Temps de transit moyen dans le lit capillaire (TTM) *Flux sanguin cérébral (FSC)

SPECTRO IRM : Utilise le signal IRM pour étudier la répartition des fréquences provoquées par les différences chimiques IRM FONCTIONNELLE Principe de l’IRMf repose sur l’effet BOLD

CONCLUSION

-L’IRM est une technique d’imagerie -Récente -Non irradiante, - Inoffensive -Indolore. -Imagerie multi-planaire, de grande utilité permet une exploration étendue et large avec une grande précision. -IRM multiparamétrique avec double paramètres : -Paramètres d’acquisition TE et TR -Paramètres tissulaires. T 1 et T 2 -Néanmoins elle est moins disponible et encore coûteuse

BIBLIOGRAPHIE

1 - YOUNG and FREEDMAN, “ University Physics -10 th Edition”, Addison Wesley, 2000 2 - Mc ROBBIE, MOORE GRAVES and PRINCE, “MRI From Picture to Proton ” Cambridge University Press, 2003

MERCI