Imagerie Rapide : EG et EPI E. de Kerviler, D. Hoa

Storing data in k-space many radiofrequency signals Tacq = TR x Ny x Nacc “ space” raw data

Tacq = TR x Ny x Nacc Turbo x SENSE Echo de Gradient Echo Planar Imagerie parallèle

Echo de Gradient Différences avec l’écho de Spin Angle de bascule ≤ 90° Absence d’impulsion de 180° Echo de Spin 90° 180° RF Echo de gradient RF α

EG versus ES Echo de Spin Echo de Gradient (FLASH 90°) TR = 600 ms, TE = 15 ms TE, 5 min 2 acq, 5 mm, 230 mm FoV, 256*256 matrix

K-space view of the gradient and spin echo imaging Ky Ky 1 2 3 . n 1 2 3 . n Kx

Echo de gradient Tacq = TR x Ny x Nacc RF  TR le plus court possible TE Tacq = TR x Ny x Nacc TR le plus court possible

Le contraste en écho de Gradient L’angle de bacule Le temps d’écho

Echo de gradient Modifier l’angle agit sur : La proportion d’aimantation basculée La durée (TR) pour la repousse de l’aimantation Décroissance de l’aimantation transversale liée à : La relaxation T2 Les hétérogénéités du champ magnétique 90° 30°

Gradient Echo changing TE FA 30 TE 30 FA 30 susceptibility effect T2* weighting

Gradient Echo changing angle & TE FA 15 TE 13 FA 50

Gradient Echo changing TE in-phase opposed-phase

RF T2* TR > T2* TR < T2* RF Etat d’équilibre de l’aimantation transversale résiduelle TR < T2* RF Destruction de l’aimantation transversale résiduelle Spoiler

EG avec destruction de l’aimantation transversale Contraste surtout T1, fonction de : Angle bascule (pondéré T1 si angle ≈ 90°) TE (peu pondéré T2 si TE court) Mais contraste T2 possible (petit angle et TE long) Acronymes : GE : SPGR, MPSPGR Philips : T1-FFE Siemens : FLASH

Angle de Ernst Pour un angle de bascule et un T1 donnés, il existe un TR optimal pour obtenir un maximum de signal T1= 800 ms Signal 1000 ms TR 500 ms TR 200 ms TR 50 ms TR o 100 Excitation angle

EG ultra-rapide Contraste surtout T1 Indications : Angio, T1 3D FatSat dynamiques, T1 IP-OP en apnée … Acronymes GE : FGRE, LAVA, VIBRANT, FAME, FSPGR Philips : T1-FFE, THRIVE Siemens : Turbo-Flash, VIBE

Exemples

Abdomen en apnée Out of phase In phase  Effacer le signal d’un foie stéatosique

Imagerie T1 3D dynamique

… Encore plus pondéré T1 Préparation de l’aimantation (Magnetization Prepared …) Applications : Angio, 3D T1 haute résolution Acronymes GE : IR-FSPGR, DE-FSPGR Philips : IR-FFE Siemens : TurboFLASH, MP-RAGE

Exemples TurboFLASH MP-RAGE

EG avec équilibre de l’aimantation transversale Contraste mixte de type T2/T1 Acronymes GE : MPGR Philips : FFE Siemens : FISP

Signal en écho de gradient FID + signal SE + échos stimulés Une combinaison de 3 pulses RF résulte en des échos stimulés ...     signal FID signal SE échos stimulés

Signal en écho de gradient     Le signal en écho de gradient avec équilibre de l’aimantation transversale est toujours une combinaison de : FID qui est plutôt T1w / T2*w SE qui est plutôt T2w échos stimulés, plutôt T2w

Equilibre + renforcement du contraste T2 Indication : Peu employé en pratique Pb = artefacts de flux, faible S/B. Acronymes GE : SSFP Philips : T2-FFE Siemens : PSIF

Etat d’équilibre + gradients équilibrés Limitation des artéfacts de flux, très rapide Indications : Imagerie des liquides, angio sans Gado, repérage, HR … Acronymes GE : FIESTA Philips : Balanced FFE Siemens : True FISP In EPI, different artifacts inherent to the technique exists. Excitation alternante Les tissus avec haut T2/T1 (blanc) sont en hypersignal (sang, graisse, liquides)

Régime d’équilibre

… Encore plus pondéré T2 Mélange de 2 séquences pondérées en T2 FISP + PSIF = DESS TrueFISP + TrueFISP = CISS Indications : Liquides, articulations DESS CISS

Séquences en Echo Planar

Echo Planar (EPI) 3 types de remplissage du plan de Fourier Non-blipped EPI Blipped EPI Spiral EPI Imagerie ultra-rapide

Echo planar (non-blipped)   RF TR TE effectif Dans cet exemple, imagerie « Single shot » : tout le plan de Fourier rempli en un TR

Trajectoire dans l’espace k du "blipped" EPI TE eff Rf Gs Gp The ”blipped” version of the EPI pulse sequence. The need of interpolation in the phase encode direction is eliminated. Depending upon the choice of readout gradients, interpolation might be needed in the readout direction. Gr adc

Spiral EPI Gradients = 0 au centre du plan de Fourier Moins d’artefacts de flux t = TE RF Gx Gy Gz t = 0

Non-blipped Blipped Distorted EPI Images with Imperfect x-Shim Spiral

Echo Planar : Quelle pondération ?   RF       RF SS = T2 MS = T1 ou T2

Echo planar : ES vs EG EPI 90° 180° RF EG ES Signal Glec TE effectif Décroissance du signal par relaxation T2 EG Plan de Fourier

Artéfacts en EPI Artéfacts N/2 Déplacement chimique eau - graisse Artéfact de susceptibilité magnétique Distorsions géométriques (courants de Foucault, ou eddy currents) In EPI, different artifacts inherent to the technique exists.

EPI et bande passante Lecture des colonnes  100 ms => BP phase = 1/0,1 = 10Hz/pixel The bandwidth of a pulse sequence is normally considered only in the readout direction, and is related to the readout period of one line in k-space, or one echo. The bandwidths is equal to the reciprocal of the readout period. In EPI one also talk about a bandwidth in the phase encode directions. The explanation for this is that only one excitation pulse is played out and thus one can consider a data collection period for the pseudo echo, which will be approximately 100 ms, which is equal to a bandwidth of 1/100ms = 10 Hz /pixel. Lecture d’une ligne 1 ms => BP=128/0,001=128000 Hz/pixel

Déplacement chimique eau graisse : 3,5ppm Décalage du signal de la graisse (direction de phase) à 1,5T => 223 Hz de différence => BPphase=10Hz/pixel => erreur de + de 20 pixels Due to the low bandwidth in the phase encode direction of the EPI pulse sequence, the fat and water signal will be shifted with respect to each other and in order to avoid artifacts fat saturation is required in combination with good shimming. Mauvaise saturation de graisse Saturation de graisse et mauvais shim Saturation de graisse et bon shim

Déplacement chimique EPI avec FatSat EPI sans FatSat

EPI : applications Diffusion Perfusion Imagerie ultra-rapide AVC, abcès, tumeurs … Tractographie Corps entier Perfusion BOLD Gado Imagerie ultra-rapide

Imagerie de diffusion b 1000 CDA

Tenseur de diffusion (glioblastome) 正常側の左側面へ30degずつ回転させた。 Tracking FA>0.25，base is T2W

Tumeurs Diffusion normale Diffusion restreinte Diffusion accrue

Diffusion corps entier

Myélome stade III

Imagerie parallèle

Imagerie cérébrale 1 antenne tête 8 canaux 8 éléments = 8 antennes Signal enregistré 8 fois S/B x √8

Voyage dans le plan de Fourier Ky Temps pour remplir la totalité du plan de Fourier = N x TR N : Nombre de lignes de phase Phase Read TR/line Kx

Voyage dans le plan de Fourier Ky Temps pour remplir la totalité du plan de Fourier = N x TR / n N : Nombre de lignes de Phas n : nombre d’éléments d’antenne Phase Read TR/line Kx

Antennes phased array : 2 façons de travailler Anciennes séquences, mais avec un meilleur rapport S/B Nouvelles séquences d’imagerie parallèle Plus rapides avec la même résolution De même durée avec une résolution plus élevée

Imagerie abdominale 2 antennes 6 canaux + + =

En IRM, quand le FOV est supérieur à l’objet nous observons une reproduction fidèle de l’image.

Si le FOV est plus petit que l’image, nous observons une image repliée qui se superpose au dessus de l’image reproduite dans le sens de la phase “réel” Phase “repliement” image objet

Plan de Fourier 256 256 256 128 FOV carré FOV rect.

Exemple d’une antenne en réseau phasé 2 éléments Chaque antenne a une certaine sensibilité (C est le facteur de sensibilité) Chaque antenne “voit” une partie de l’objet Ant 1 C1 Ant 2 C2 image objet

Les sensibilités d’antennes sont mesurées ; nous pouvons donc calculer le signal pour chaque point x,y et éliminer le repliement. Ant 1 C1 Ant 2 C2 Image SENSE objet

Imagerie // : Parallel Acquisition Technique

Le SENSE permet de « déplier » l’image

… (exemple avec 3 éléments d’antenne) Comme marche le GRAPPA ? … (exemple avec 3 éléments d’antenne) Acquisition uniquement des lignes ROUGES (donc 3 fois plus rapide). Pour les lignes ROUGES, addition des signaux d’antenne comme suit C1+C2+C3 Pour les lignes BLEUES -C1+C3 (enlèvement de C2) Pour les lignes JAUNES C1-C2+C3

Comment ça marche ? Acquisition: Reconstruction: SENSE GRAPPA Données repliées + Carte de sensibilité Reconstruction:

Suppression de l’aliasing “à la source” dans la matrice 2D (espace k) GRAPPA : Suppression de l’aliasing “à la source” dans la matrice 2D (espace k) Ant1 Ant2 SMASH SENSE SENSE : suppression de l’aliasing “dans l’image” après double TF

Quel gain en temps ? En théorie, accélération maximum = nombre d’éléments d’antenne En pratique, il faut ajouter : Données additionnelles acquises au centre du plan de Fourier Cartes de sensibilité des antennes

Avantages Rapidité Résolution Résolution = 1 x 2 x 4 mm3 durée : 17 s Sans SENSE : apnée 24 s. Avec SENSE : apnée 12 s.

Inconvénients Rapport S/B Artefacts Temps de reconstruction Replié Inconvénients Rapport S/B Artefacts Temps de reconstruction Plan de coupe Mal déplié 1/2 FOV Temps / 2 1/3 FOV Temps / 3 1/4 FOV Temps / 4

Facteur 1 Facteur 2 Facteur 3 Facteur 4

Artefacts d’imagerie // FOV carré 250mm FOV rectangulaire 125mm SENSE GRAPPA FOV carré 350mm FOV rectangulaire 175mm SENSE GRAPPA

Conclusion Imagerie ultra-rapide Imagerie parallèle Lecture du signal par des EG ou variantes Toujours un effet T2* Contraste majoritairement T2, sauf si on ralenti la séquence ou si on détruit l’aimantation transversale Imagerie parallèle Attention au rapport S/B Attention au repliement