Bases Physiques IRM 2 Freddy ODILLE IADI - INSERM U947 freddy.odille@inserm.fr

1. Bases Physiques IRM 2 Freddy ODILLE IADI - INSERM U947 freddy.odille@inserm.fr

2. Livres MRI from Picture to Proton  Donald W. McRobbie, Elizabeth A. Moore, Martin J. Graves, Martin R. Prince  Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence DesignBy E. Mark Haacke, Robert W. Brown, Michael R. Thompson, Ramesh Venkatesan Principles of Magnetic Resonance Imaging: A Signal Processing Perspective Zhi-Pei Liang, Paul C. Lauterbur Handbook of MRI Pulse SequencesMatt A. Bernstein, Kevin F. King, Xiaohong Joe Zhou

3. Livres L'IRM pas à pas Denis Hoa , Patrice Taourel , Antoine Micheau , Gérald Gahide ,Emmanuelle Le Bars Ressources Internet: L'IRM pas à pas, cours interactif sur l'imagerie par résonance magnétique http://www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI (e-mri dans google)

4. Objectifs • Formation d’une image en IRM • La résonance magnétique • La relaxation • Le codage spatial • Choix du contraste entre les tissus • Les séquences d’imagerie • Choix des paramètres

5. Les ingrédients de l’IRM Champ magnétique Excitation (transmission d’énergie) Réception (restitution d’énergie) • u = fréquence de résonance (Hz) • = rapport gyromagnétique (caractéristique du noyau) • Typiquement: noyau = 1H (corps humain : 70% de H20), B = 1.5 Tesla, u= 64 MHz • Autres noyaux possibles : 13C, 19F, 31P, 23Na

6. Chaîne d’acquisition IRM Séquence Densité de proton Relaxation Champ magnétique statique Excitation Inversion Antenne d’émission Réception Antenne de réception Reconstruction Transformation de Fourier 2D Gradients de champ magnétique* *champ magnétique qui varie dans l’espace (et le temps)

7. Le spin nucléaire • Le noyau d’hydrogène 1H possède des propriétés magnétiques • Spin = rotation d’une particule sur elle-même • Macroscopiquement, un spin se comporte comme un diplôle e-mri.org

8. Comportement des spins nucléaires Soumis à un champ magnétique Au repos z e-mri.org

9. Etat d’équilibre d’un spin dans un champ magnétique • Alignement des spins (parallèle ou anti-parallèle à la direction de B0) • Précession (“toupie”) z y x e-mri.org ω0 = γB0 ω0 = fréquence de Larmor (oufréquence de précession) en rad/s • γ = rapport gyromagnétique en rad/s/T • B0 = champ magnétiquestatique en T (Tesla)

10. L’aimantation (M) d’une population de spins à l’équilibre Au repos • Orientations aléatoires => Aimantation résultante nulle Dans un champ B0 • Nspins parallèles > Nspins anti-parallèles • Différence (Nspins parallèles - Nspins anti-parallèles) est proportionnelle à B0 => Aimantation résultante M parallèle à B0 = 0 z e-mri.org

11. La résonance magnétique • Résonance = phénomène faisant qu’un système physique est sensible à certaines fréquences (ex: vibrations dans une voiture) • Impulsion radio-fréquence (RF) B1 oscillant à la fréquence ω0 => résonance magnétique : • Bascule de l’aimantation dans le plan transversal d’un angle α (transfert d’énergie vers le système de spins) α = angle de bascule (flip angle) t = durée de l’impulsion RF (x,y,z) repère du laboratoire (x’,y’,z’) repère tournant à la fréquence de Larmor

12. La relaxation • Arrêt de l’excitation radio-fréquence (RF) => retour à l’état d’équilibre Relaxation longitudinale (T1) Relaxation transversale (T2)

13. Temps de relaxation T1 et T2 • Relaxation longitudinale (T1) = repousse de Mz • Due aux intéraction spin-réseau: tendance des spins à s’orienter à nouveau (anti-)parallèlement au champ B0 • T1 dépend de la mobilité des molécules où se trouvent les atomes 1H (Grosses molécules: T1 court) • 200 ms < T1 < 3000 ms à 1,5 T • Relaxation transversale (T2) = chute de Mxy • Due aux intéractions spin-spin: tendance des spins, après avoir été mis en cohérence lors de la résonance (rotationà la même vitesse), à retourner à un état incohérent (phases aléatoires) sous l’effet des perturbations locales de champ magnétique • T2 dépend de l’environnement moléculaire des spins (qui cause des perturbations locales de champ) • T2 < T1

14. Temps de relaxation T2* • En pratique la chute de Mxy se fait selon une relaxation transversale accélérée T2* (T2* < T2) La chute de Mxy est accélérée par les hétérogénéités du champ magnétique B0(imperfection de l’aimant), qui s’ajoutent aux perturbations locales de champ créées par l’environnement moléculaire • Il est possible d’obtenir des images pondérées en : • densité de protons • T1 • T2* • T2 …

15. Temps de relaxation T1 et T2 dans les tissus Greg J. Stanisz et al. Magnetic Resonance in Medicine 54:507-512 (2005) T2 à 1,5 T de 30 ms (muscle) à 300 ms (sang)

16. Variation de T1 à 1,5 T de 200 ms (graisse) à 2 s (LCR)

17. Réception du signal • L’aimantation transversale Mxy est mesurable avec une antenne de réception radio-fréquence (RF)

18. Codage de l’espace • Le signal provient de tous les spins excités (tout le patient) • Le signal oscille à la fréquence de résonance (Larmor) ω0 = γB0 • Principe du codage spatial: • Faire varier B0 dans l’espace • Ainsi les spins auront des fréquences de résonance dépendant de leur position dans l’espace • Réalisation d’une image en 2 étapes: • Sélection de coupe (axe z) • Codage en phase et en fréquence dans le plan (xy) B0 B0 X B0 + gX X

19. Excitation sélective (sélection du plan de coupe) fréquence 10 mT/m ωo+dω Excitation Réception RF ω o-dω Position (z) Excitation: sinx/x TF de sinx/x = rectangle Résonance

20. Excitation sélective (sélection du plan de coupe) 20 mT/m fréquence 10 mT/m ωo+dω Excitation Réception RF ω o-dω Position (z) Résonance

21. Codage du plan en phase et en fréquence Codage en fréquence dans la direction x (vitesses de rotation différentes selon x) Codage en phase dans la direction y (avance/retard ajustable dans ladirection y) Phase (avance/retard) augmente y Fréquence de rotation augmente x e-mri.org Espace k ky kx

22. Formation de l’image Coupe Acquisition = sélection coupe + codage k Z Espace k (matrice) Image (matrice) Plan Y TF Phase X Fréquence

23. Remplissage de l’espace k Coupe Coupe X lignes de phase coupe + RF phase lecture Excitation Acquisition Excitation Acquisition

24. Remplissage de l’espace k Coupe X lignes de phase Coupe +RF phase lecture Excitation Acquisition Acquisition Acquisition

25. Contraste en IRM • Après excitation, le signal IRM décroît très vite (relaxation en T2*) • On pourrait enregistrer le signal immédiatement… mais ce n’est pas ce que l’on fait. Pourquoi? • Réponse: pour jouer sur le contraste entre les tissus • Pondération en densité de proton, T1, T2, T2*

26. Principales séquences • Echo de spin • Echo de spin simple • Echo de spin rapide • Echo de gradient • Echo de gradient simple • Echo de gradient “ultra-rapide” (EPI)

27. Séquence en écho de spin • Une impulsion RF 90° suivi d’une 180°

28. Effet d’une implusion RF à 180° e-mri.org Excitation Impulsion RF 90° Inversion Impulsion RF 180° Refocalisation Echo Aimantation initiale z z z z z z y y y y y y x x x x x x RELAXATION…

29. Séquence en écho de spin • Une impulsion RF 90° suivi d’une 180° • Deux paramètres importants : • Temps d'écho (TE) : temps entre l'impulsion de 90° et le acquisition de l'écho de spin • Temps de répétition (TR) : temps entre deux impulsions de 90° e-mri.org

30. Séquence en écho de spin Coupe Coupe Temps d’acquisition = Nb lignes x TR TR TE 180° 180° 90° 90° coupe + RF phase lecture Excitation Acquisition Excitation Acquisition

31. Equation du signal en écho de spin • Si TR >> T1: • S = ? • Si TE court • S = ? • Pondération T1, T2, densité de proton • Choix de TE et TR? Signal IRM densité de proton

32. Pondération T1 en écho de spin • On parle de pondération (contraste) T1, et non pas d'image T1 • La différence de signal est due : • Majoritairement à l'effet T1 (TR court) • Dans une moindre mesure à l'effet T2 (TE court) e-mri.org

33. Pondération T1 en écho de spin • T1: fonction des tissus et de la pathologie • Matière blanche (blanche) > Matière grise > LCR (noir)

34. Pondération T2 en écho de spin • On parle de pondération (contraste) T2, et non pas d'image T2 • Il faut : • Pas d'effet T1 (TR long) • Un fort effet T2 (TE long) • Il ne faut pas un TE trop long car après il n'y a plus de signal e-mri.org

35. Pondération T2 en écho de spin • T2: fonction des tissus et de la pathologie • LCR (blanc) > Matière grise > Matière blanche (noir)

36. Pondération en densité de proton en écho de spin • La différence de contraste est uniquement fonction de la densité de spin dans le voxel : • Pas d'effet T1 (TR long). • Pas d'effet T2 (TE court) e-mri.org

37. Pondération en densité de proton en écho de spin • Effet de la variation de TE et TR : • Pondération T1 • Pondération T2 • Pondération densité de proton e-mri.org

38. 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 T2 TR/TE 460/11 Pondérée T1

39. Echo de spin rapide 180° 180° 180° 180° 90° RF Signal Décroissance en T2 Echo Train Length (ETL) = 4 : nombre d’échos par excitation RF à 90°

40. Echo de spin rapide Coupe Temps d’acquisition = Nb lignes x TR / ETL TR TE effectif (TE de la ligne la plus centrale de l’espace k) 180° 180° 180° 180° 90° 90° Coupe +RF phase lecture Excitation Acquisition Acquisition Acquisition

41. Mesure (cartographie) de T1 et T2 • Contrairement à la pondération, la cartographie en temps de relaxation nécessite au moins 2 images • Pour la cartographie T2 : variation de TE • Pour la cartographie T1 : ajout d'une impulsion d'inversion (180°) et variation de TI Images en écho de spin rapide à différents TE

42. Séquence en écho de gradient Gradient de sélection de coupe Gradient de codage de phase Gradient de codage de fréquence e-mri.org

43. Séquence en écho de gradient “ultra-rapide” • Séquence Echo Plannar Imaging (EPI) • Une excitation RF initiale puis parcours de tout l’espace k (“single shot”) • Très utilisé en IRM fonctionnelle e-mri.org

44. Contraste en écho de gradient • Contraste en écho de gradient: • TR court: pondération T1 • TR long, TE long: pondération T2* • TR long, TE court: pondération en densité de proton • Angle de bascule plus court (<90°) => l’aimantation retourne plus rapidement à l’état d’équilibre => Possibilité de prendre un TR plus court (séquence plus rapide) • Utilisation pour l’imagerie rapide: • imagerie dynamique • 3D • IRM fonctionnelle (effet BOLD visible en T2*): changements d’oxygénation du sang lors de l’activation neuronale • Utilisation du contraste T2*: Produits de contraste

45. Imagerie rapide en écho de gradient • Imagerie 2D ciné cardiaque en écho de gradient (images acquises avec synchronisation cardiaque) Coupe petit axe Vue 4 cavités

46. Imagerie rapide en écho de gradient 3D gradient echo (high resolution) IRM abdominale (intestin grêle) 2D gradient echo (800 ms/image)

47. Images EPI en IRM fonctionnelle Analyse statistique pour détecter les zones d’activations (légère modification du signal en contraste T2*)

48. A retenir… • Le principe de résonance magnétique: • Alignement des spins plongés dans un champ manétique B0 (aimantation résultante M) • Une excitation RF à la fréquence de Larmor provoque l’effet de résonance (bascule de l’aimantation) • Retour à l’équilibre de l’aimantation (relaxation) • Les temps de relaxation: • T1 (longitudinal) : repousse de Mz (tendance des spins à se réaligner avec B0) • T2 (transversal): disparition de Mxy (tendance des spins à se déphaser, due aux perturbations locales de champ causées par leur environnement moléculaire) • T2*: disparition de Mxy réelle (tendance des spins à se déphaser, due aux perturbations locales de champ causées par leur environnement moléculaire et par les hétérogénéités de B0)

49. A retenir… • Les étapes de la formation d’une image: • Excitation RF • Codage de l’espace (sélection de coupe, codage du plan en phase et en fréquence) • Enregistrement des données lors de la phase de relaxation • Les données sont acquises dans l’espace k (transformée de Fourier de l’image) • Principales séquences IRM: • Echo de spin • Echo de gradient • + versions rapides (plusieurs échos acquis après chaque excitation RF) • Le choix des paramètres de la séquence (TR et TE) permet d’obtenir une pondération en: • densité de proton • T1 • T2 (écho de spin) • T2* (écho de gradient)

50. Séquence avec inversion-récupération • Ajout d’une impulsion à 180° avant la séquence • Annule le signal d’une espèce si le temps d’inversion: TI = T1 ln(2) (et si TR >> T1) Echo de spin rapide avec inversion-récupération Sans inversion Mz Mz Avec inversion TI