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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, T = 0,5 G ( 1 Gauss = Tesla) 1,5 T = 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 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 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

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 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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