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CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti LIRM : DU SIGNAL A LIMAGE Ilana Peretti mars 2002.

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1 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti LIRM : DU SIGNAL A LIMAGE Ilana Peretti mars 2002

2 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Un peu dhistoire Bloch et Purcell (1946) : RMN 1 ères applications : spectroscopie par RMN (chimie, biochimie) Damadian (1971) : tissu sain tissu cancéreux Lauterbur (1973) : 1 ère image 1980 : 1 ères images : tête et abdomen

3 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti qualité des images (contraste, résolution) images tomographiques d'incidence quelconque atraumatique Intérêt de lIRM images riches : 3 paramètres principaux informations sur la structure de la matière imagerie anatomique et imagerie fonctionnelle

4 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti PARAMETRES PRINCIPAUX DE L'IRM : densité de protons T 1 : temps de relaxation T 2 : temps de relaxation renseignements MORPHOLOGIQUES et BIOLOGIQUES

5 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Principe Général de l'IRM MESURE des propriétés MAGNETIQUES des tissus biologiques

6 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Patient soumis à l'action simultanée : champ magnétique principal B O constant 0,01 à 3 Tesla + onde radio de durée brève (impulsion) exemple : 21 MHz à B 0 = 0,5 T U N S BOBO

7 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti + Gradients de champ magnétique : champs magnétiques d'intensité beaucoup plus faible que B O variables dans lespace appliqués à certains instants

8 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti remarques - champ magnétique terrestre B terrestre = 0,000 05 T = 0,5 G ( 1 Gauss = 10 - 4 Tesla) 1,5 T = 30 000 B terrestre - attraction des objets métalliques clefs, ciseaux, … C.I. : pace-maker - isolation par rapport aux rayonnements électromagnétiques extérieurs

9 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Première étape : la RMN Deuxième étape : la formation de limage Troisième étape : les évolutions actuelles

10 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti LA RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE Première partie

11 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 1 MAGNETISATIONRESONANCE 2 RELAXATION 3

12 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 1 - MAGNETISATION description vectorielle x y z description quantique E2E2 E1E1

13 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti imagerie médicale : en général, noyau de l'atome d'Hydrogène présent dans leau O H H

14 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti noyau de latome dhydrogène = proton spin : rotation intrinsèque petit aimant N S =

15 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti moments magnétiques nucléaires dun tissu ORIENTATION ALEATOIRE DES VECTEURS

16 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti action de B O aimantation totale : M non nulle environnement naturel aimantation totale : M = 0

17 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti action dun champ magnétique extérieur uniforme et constant B 0 LE PROTON TOURNE AUTOUR DE Bo A LA FREQUENCE f 0 = B 0 / 2 f 0 = fréquence de Larmor B0B0 précession

18 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti B0B0 M niveau haute énergie niveau basse énergie

19 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti DANS UN CHAMP DE 1 T ET POUR UNE POPULATION DE: 1 million de protons EXCES DE 2 PROTONS DENERGIE E 1 Bo E2E2 E1E1 E down up

20 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti dans un champ intense B 0 à léquilibre B0B0 M aimantation M : parallèle à B 0

21 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti action dune impulsion radio de fréquence f (impulsion d'excitation) résonance fréquence onde radio f = fréquence de Larmor f 0 2 - RESONANCE TRANSFERT MAXIMUM DENERGIE

22 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti TRANSFERT MAXIMUM DENERGIE

23 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti quand f = f 0 description vectorielle le vecteur aimantation M sincline M sécarte de B 0 tout en tournant autour de B 0

24 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti à linstant t 0 de larrêt de limpulsion l'aimantation M est inclinée dun angle par rapport à B 0 B0B0 M MTMT MLML x y z

25 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti B0B0 M x y z aimantation totale M juste après une impulsion de 90° = 90°

26 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti description quantique Bo E2E2 E1E1 E E = h f 0 égalisation du nombre de protons juste après une impulsion de 90°

27 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti moments magnétiques nucléaires juste après une impulsion de 90° B0B0 M mise en phase

28 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti retour à l'état d'équilibre décrit par l évolution au cours du temps de laimantation M : temps de relaxation T 1 et T 2 3 - RELAXATION elle débute dès larrêt de limpulsion radio

29 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti z antenne x MTMT y M MLML B0B0

30 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti y x Z ENREGISTREMENT D'UN COURANT ELECTRIQUE INDUIT DANS LA BOBINE DE RECEPTION plan de mesure

31 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti signal F I D (Free Induction Decay) COURANT INDUIT ENREGISTRE

32 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti La relaxation de laimantation longitudinale Après larrêt dune impulsion de 90°, M L suit la loi de BLOCH : M L = M eq (1 – e ) aimantation longitudinale valeur à léquilibre de M L T 1 : temps caractéristique décrivant lévolution de M L (temps mis par laimantation longitudinale pour atteindre 63 % de sa valeur à léquilibre M eq ) 0 T 1 t M L M eq 0,63M eq T 1 : temps de relaxation longitudinale

33 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti M T suit la 2 ème loi de BLOCH La Relaxation de laimantation transversale limpulsion de 90° met en phase les spins nucléaires la relaxation transversale : déphasage progressif des spins répartition homogène sur les cônes de précession M T = 0

34 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti M T = M e valeur de M T à linstant choisi comme origine T 2 : temps de relaxation transversale T 2 : temps caractéristique décrivant lévolution de M T (temps mis par laimantation transversale pour atteindre 37 % de sa valeur initiale) M 0 T 2 t MTMT 0,37 M

35 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Temps de relaxation de milieux biologiques T 1 (1,5 T) T 2 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

36 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 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

37 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti séquence écho de spin écho de spin (mono écho) 90° 180° impulsion 0 TE/2 TE TR temps T2T2 signal T2*T2*

38 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti après limpulsion de 90° M est basculé dans le plan transversal = plan de mesure inhomogénéités locales de B relaxation transversale déphasage des spins contribuant à M T léventail se déploie

39 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti enveloppe valeur de T 2 après limpulsion de 180° (à TE/2) inversion des spins qui se remettent en phase léventail se referme au temps TE : écho du signal mesure si seulement hétérogénéité dorigine instrumentale indépendante du temps : amplitude de lécho devrait être égale à lamplitude du signal dorigine. si hétérogénéité dorigine moléculaire : relaxation spin-spin diminution de lamplitude du signal

40 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti signal écho de spin : image pondérée en T 2 TETE TRTR t écho de spin : image pondérée en T 1 TETE T R signal t

41 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti M t = M 0 (1 – e ) ( e ) t (1) (3) (2) signal TR c TE c TE c TE TR

42 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Paramètres dacquisition ordres de grandeur : TR de 300 à 4000 ms TE de 10 à 120 ms fixés par lopérateur images : en T 1 : TR court et TE court en T 2 : TR long et TE long en : TR long et TE court

43 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti TR écho de spin : image en T 1 signal t T 2 long T 1 long TE écho de spin : image en T 2 signal t T 1 long T 2 long TR TE

44 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti images en T 1 : tissu à T 1 long hyposignal tissu à T 1 court Hypersignal images en T 2 : tissu à T 2 long Hypersignal tissu à T 2 court hyposignal

45 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti graisse moelle osseuse tissu cérébral subst. blanche subst. grise muscle liquides os cortical air BLANC (T 1 court) GRIS NOIR images pondérées en T 1

46 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti tissu cérébral subst. grise subst. blanche muscle os cortical air BLANC (T 2 long) GRIS NOIR images pondérées en T 2 liquides graisse

47 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Durée dune acquisition D = TR. N lignes. N acc exemple : TR = 2000 ms N lignes = 256 N acc = 1 D = 8,5 minutes 30 à 40 minutes Durée dun examen

48 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti LA FORMATION DE LIMAGE Deuxième partie

49 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti les outils de base : les gradients de champ magnétique relation de Larmor f = B / 2 f proportionnel à B variation B entraîne variation f f =. B / 2 gradient de champ G codage de lespace

50 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti ex : gradient G x dirigé suivant laxe des x x B0B0 BxBx + B = B 0 + B x

51 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti ex : gradient G z dirigé suivant laxe des z z B0B0 BzBz + B

52 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti -obtention des gradients de champ : bobines G x, G y, G z avec G z = B / z -intensité des champs magnétiques variables spatialement : très faible par rapport à B 0 ex : 1,2 x 10 -4 T / cm soit environ 5 kHz / cm f = B / 2 - gradients de champ simultanés : somme vectorielle des champs superposition

53 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti sélection dun plan de coupe z ex : B 0 + B z ex : plan axial

54 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti dans chaque plan perpendiculaire à la direction du gradient, le champ subi par les protons a une même valeur deux plans différents correspondent à une fréquence de résonance différente limpulsion 90° bascule laimantation M dun seul plan de coupe : résonance coupe dobliquité quelconque la position du plan de coupe est choisie en adaptant la fréquence de limpulsion radio à la valeur du champ magnétique

55 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti épaisseur de la coupe sélectionnée f z f z A z B G ZA G ZB dépend de lintensité du gradient et de f ex : plan axial

56 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti f : largeur de la bande de fréquences de limpulsion ex : gradient G ZB plus faible que G ZA (pente plus faible) coupe plus épaisse G Z = B / z f =. B / 2 z = (2. f) / (. G Z ) épaisseur de la coupe sélectionnée (2)

57 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti position du plan de coupe choisie en adaptant la fréquence centrale de la bande de fréquences de limpulsion à la valeur du champ magnétique au niveau du centre du plan de coupe

58 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti codage du signal dans le plan de coupe sélectionné x pendant le recueil du signal : utilisation dun gradient ex : gradient suivant x exemple : plan axial 1 - CODAGE PAR LA FREQUENCE

59 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 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 caractérisés par une même fréquence de résonance

60 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti signal FID tous les éléments dune même droite perpendiculaire à la direction du gradient donnent un même pic ensemble de fréquences TF

61 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti la position de chaque pic : - est liée à la fréquence de résonance des spins - est donc liée à la position des spins selon laxe x

62 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti lensemble du plan contribue au signal de mesure f on obtient une projection du plan de coupe sur la direction du gradient

63 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 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

64 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti exemple : plan axial 2 - CODAGE PAR LA PHASE y - immédiatement après limpulsion de 90° - pendant une durée t : utilisation dun gradient ex : gradient suivant y

65 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti - 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 :

66 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti succession des évènements

67 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti exemple du plan axial : gradient G x pour le codage par la fréquence gradient de lecture G f gradient G y pour le codage par la phase gradient de codage de phase G p gradient de sélection G s gradient G z pour la sélection du plan de coupe

68 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 90° 180° impulsion sélection phase signal 0 TE temps écho de spin acquisition bidimensionnelle lecture

69 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Durée dune acquisition D = TR. N lignes. N acc TR = 2000 ms N lignes = 256 N acc = 1 D = 8,5 minutes 30 à 40 minutes Durée dun examen exemple :


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