CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti L’IRM : DU SIGNAL A L’IMAGE Ilana Peretti mars 2002 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

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

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti PARAMETRES PRINCIPAUX DE L'IRM r : densité de protons T1 : temps de relaxation   T2 : temps de relaxation renseignements MORPHOLOGIQUES et BIOLOGIQUES CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Patient soumis à l'action simultanée : champ magnétique principal BO constant 0,01 à 3 Tesla  U N BO S + onde radio de durée brève (impulsion) exemple : 21 MHz à B0= 0,5 T CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti   + Gradients de champ magnétique : champs magnétiques d'intensité beaucoup plus faible que BO variables dans l’espace appliqués à certains instants CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

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

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

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 1 2 3 MAGNETISATION RESONANCE RELAXATION CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 1 - MAGNETISATION z description vectorielle y x E2 description quantique E1 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti noyau de l’atome d’hydrogène = proton spin : rotation intrinsèque  petit aimant N S = CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti moments magnétiques nucléaires d’un tissu ORIENTATION ALEATOIRE DES VECTEURS CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti action d’un champ magnétique extérieur uniforme et constant B0 LE PROTON TOURNE AUTOUR DE Bo A LA FREQUENCE B0 f0 =  B0 / 2  f0 = fréquence de Larmor précession CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

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 D’ENERGIE E1 down Bo E2 E1 D E CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti up

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti dans un champ intense B0 à l’équilibre B0 M aimantation M : parallèle à B0 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 2 - RESONANCE action d’une impulsion radio de fréquence f (impulsion d'excitation) résonance fréquence onde radio f = fréquence de Larmor f0 TRANSFERT MAXIMUM D’ENERGIE CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti TRANSFERT MAXIMUM D’ENERGIE CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti description vectorielle quand f = f0 le vecteur aimantation M s’incline M s’écarte de B0 tout en tournant autour de B0 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti à l’instant t0 de l’arrêt de l’impulsion l'aimantation M est inclinée d’un angle  par rapport à B0 z ML M B0  y MT x CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti aimantation totale M juste après une impulsion de 90° z B0  = 90° y M x CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti description quantique E2 Bo D E E1 DE = h f0 égalisation du nombre de protons juste après une impulsion de 90° CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti moments magnétiques nucléaires juste après une impulsion de 90° B0 M mise en phase CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 3 - RELAXATION elle débute dès l’arrêt de l’impulsion radio retour à l'état d'équilibre décrit par l’évolution au cours du temps de l’aimantation M : temps de relaxation T1 et T2 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti z x MT y M ML B0 antenne CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

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

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti La relaxation de l’aimantation longitudinale Après l’arrêt d’une impulsion de 90°, ML suit la loi de BLOCH : ML = Meq (1 – e ) aimantation longitudinale valeur à l’équilibre de ML 0 T1 t ML Meq 0,63Meq T1 : temps caractéristique décrivant l’évolution de ML (temps mis par l’aimantation longitudinale pour atteindre 63 % de sa valeur à l’équilibre Meq) CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti T1 : temps de relaxation longitudinale

MT suit la 2ème loi de BLOCH La Relaxation de l’aimantation transversale l’impulsion de 90° met en phase les spins nucléaires la relaxation transversale : déphasage progressif des spins  répartition homogène sur les cônes de précession  MT = 0 MT suit la 2ème loi de BLOCH CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti MT 0,37 M MT = M e valeur de MT à l’instant choisi comme origine T2 : temps caractéristique décrivant l’évolution de MT (temps mis par l’aimantation transversale pour atteindre 37 % de sa valeur initiale) T2 : temps de relaxation transversale CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Temps de relaxation de milieux biologiques T1 (1,5 T) T2 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 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Le contraste     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 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti après l’impulsion de 90°  M est basculé dans le plan transversal = plan de mesure inhomogénéités locales de B  relaxation transversale déphasage des spins contribuant à MT l’éventail se déploie CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti après l’impulsion de 180° (à TE/2) inversion des spins qui se remettent en phase l’éventail se referme au temps TE : écho du signal  mesure • si seulement hétérogénéité d’origine instrumentale indépendante du temps : amplitude de l’écho devrait être égale à l’amplitude du signal d’origine. si hétérogénéité d’origine moléculaire : relaxation spin-spin  diminution de l’amplitude du signal  enveloppe  valeur de T2 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti signal écho de spin : image pondérée en T2 • TE TR t écho de spin : image pondérée en T1 TE TR signal • t CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti • t (1) (3) (2) signal TRc TEc TEc TE TR Mt = M0 (1 – e ) ( e ) CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Paramètres d’acquisition ordres de grandeur : TR de 300 à 4000 ms TE de 10 à 120 ms fixés par l’opérateur images : en T1 : TR court et TE court en T2 : TR long et TE long en  : TR long et TE court CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti signal T2 long T1 long t TR TE écho de spin : image en T2 signal T1 long T2 long t TR TE écho de spin : image en T1 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti images en T1 : tissu à T1 long hyposignal tissu à T1 court Hypersignal images en T2 : tissu à T2 long Hypersignal tissu à T2 court hyposignal CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti BLANC (T1 court) graisse moelle osseuse tissu cérébral subst. blanche subst. grise GRIS muscle liquides os cortical air NOIR images pondérées en T1 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti BLANC liquides (T2 long) tissu cérébral subst. grise subst. blanche graisse GRIS muscle os cortical air NOIR images pondérées en T2 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Durée d’une acquisition D = TR . Nlignes . Nacc exemple : TR = 2000 ms Nlignes = 256 Nacc = 1 D = 8,5 minutes Durée d’un examen 30 à 40 minutes CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Deuxième partie LA FORMATION DE L’IMAGE CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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 l’espace CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti ex : gradient Gx dirigé suivant l’axe des x B0 + Bx x B = B0 + Bx CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti ex : gradient Gz dirigé suivant l’axe des z B0 + Bz B z CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti obtention des gradients de champ : bobines Gx, Gy , Gz avec Gz = B / z intensité des champs magnétiques variables spatialement : très faible par rapport à B0 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 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti sélection d’un plan de coupe ex : plan axial ex : B0 + Bz z CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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 l’impulsion 90° bascule l’aimantation M d’un seul plan de coupe : résonance la position du plan de coupe est choisie en adaptant la fréquence de l’impulsion radio à la valeur du champ magnétique coupe d’obliquité quelconque CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti épaisseur de la coupe sélectionnée dépend de l’intensité du gradient et de f ex : plan axial GZA f GZB f z zA zB CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti épaisseur de la coupe sélectionnée (2) f : largeur de la bande de fréquences de l’impulsion ex : gradient GZB plus faible que GZA (pente plus faible)  coupe plus épaisse GZ = B / z f =  . B / 2   z = (2  . f) / ( . GZ) CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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 l’impulsion à la valeur du champ magnétique au niveau du centre du plan de coupe CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

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 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

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 l’axe x CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

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 CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti 2 - CODAGE PAR LA PHASE exemple : plan axial y immédiatement après l’impulsion de 90° pendant une durée Dt : utilisation d’un gradient ex : gradient suivant y CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

à la fin de la période Dt : y à la fin de la période Dt : les spins qui ont été soumis à un champ B plus intense ont un angle de phase plus grand les spins se remettent à tourner à la même fréquence, en gardant leur décalage en phase CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

exemple du plan axial : gradient Gz pour la sélection du plan de coupe gradient de sélection Gs gradient Gz pour la sélection du plan de coupe gradient Gy pour le codage par la phase gradient de codage de phase Gp gradient Gx pour le codage par la fréquence gradient de lecture Gf CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti

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

CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti Durée d’une acquisition D = TR . Nlignes . Nacc exemple : TR = 2000 ms Nlignes = 256 Nacc = 1 D = 8,5 minutes Durée d’un examen 30 à 40 minutes CNEBMN Atelier de Biophysique 29/3/2002 Ilana Peretti