Principes d acquisition en Imagerie par Résonance Magnétique

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1 Principes d acquisition en Imagerie par Résonance Magnétique Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ) ciuciu@shfj.cea.fr 30/11/2005 1

2 Cours préparé à partir des supports de Vincent Lebon (CEA/SHFJ) Cyril Poupon (CEA/SHFJ) 30/11/2005 2

3 Plan La Résonance Magnétique Nucléaire Interaction magnétique nucléaire Perturbation de l aimantation et retour à l équilibre Mesure du signal de RMN Principe de l Imagerie RMN Encodage de l espace Séquences d IRM Contraste 30/11/2005 3

4 Moment magnétique nucléaire Le moment magnétique de spin J M n = γ J est à l origine de l aimantation M 0 = ΣM n Qu est ce qu un spin? «un petit aimant tournant sur lui-même» C est une notion quantique qui décrit une propriété fondamentale de la nature comme la charge électrique ou la masse. La RMN s intéresse à tous les atomes dont le spin nucléaire est multiple de ½ 30/11/2005 4

5 Éléments Abondance biologique Eléments Utilisé en RMN Symbole Abondance dans le corps humain Hydrogen (H) 0.63 Sodium (Na) Hydrogen 1 H H Phosphorus (P) Carbon (C) Oxygen (O) 0.26 Calcium (Ca) Nitrogen (N) Choix des protons des atomes d hydrogène de l eau pour l imagerie Carbon 13 C 1.11 Nitrogen 14 N N 0.37 Sodium 23 Na 100 Phosphorus 31 P 100 Potassium 39 K 93.1 Calcium 43 Ca /11/2005 5

6 Un champ magnétique intense 1 ère étape: Utiliser un aimant très intense pour aligner l aimantation à mesurer Alignement des moments magnétiques suivant 2 directions: B o µ parallel antiparallel µ direction parallèle: orientation dans la direction de B0 direction antiparallèle: orientation dans la direction opposée à B0 Mouvement de précession ω=γb Pour les protons MHz/T 30/11/2005 6

7 La Résonance Magnétique Nucléaire Interaction magnétique nucléaire Certains noyaux possèdent une «aimantation» intrinsèque (spin) qu on peut se représenter vectoriellement comme l aiguille d une boussole En présence d un champ magnétique B 0, les aimantations s orientent parallèlement à B 0, donnant naissance à une aimantation macroscopique M B 0 M aimantations nucléaires aimantation macroscopique ESIEA - Cours IRM 30/11/2005 7

8 Le proton : deux états d énergie Vue quantique des spins de protons en présence d un champ magnétique B0 30/11/2005 8

9 A l échelle du voxel à température ambiante et à 1,5T Environ 9,6 spins sont en excès dans la position parallèle par million de protons 22 6x10 protons par ml de tissus -> le nombre de spins contribuant au signal RMN à 1,5T est 9.6 x x = 5 x per ml of tissue 30/11/2005 9

10 La Résonance Magnétique Nucléaire Perturbation de l aimantation et retour à l équilibre Perturbation Pour écarter M de l équilibre, il faut appliquer une OEM à la fréquence de Larmor : ν 0 = γ/2π π B 0 où γ est le rapport gyromagnétique du noyau (constante physique caractéristique de chaque noyau possédant un spin non nul). fréquence de Larmor = fréquence de résonance du système Ordre de grandeur : pour le proton : ν 0 10 à 100 MHz Onde excitatrice = onde radio-fréquence (RF) B 0 M 90 excitation RF Par convention, Z est la direction de B 0 et (X,Y) est le plan transversal 30/11/

11 La Résonance Magnétique Nucléaire Vision «quantique» du phénomène 30/11/

12 La Résonance Magnétique Nucléaire Notion de référentiel tournant 30/11/

13 La Résonance Magnétique Nucléaire Retour à l équilibre le long de B 0 Equation de Bloch : description phénoménologique de l interaction entre M et B 0 dm γ M B 0 M xy + (M 0 - M z ) dt T2 T1 précession amortissement Mouvement de précession de M autour de l axe de B 0 à la fréquence de Larmor, proportionnelle à B 0 : ν 0 = γ/2π π B 0 B 0 M 30/11/

14 La Résonance Magnétique Nucléaire La relaxation : retour à l équilibre de l aimantation Constantes de temps caractérisant le retour à l équilibre des composantes longitudinales et transversales : - composante transversale M xy = sinusoïde (ν 0 ) amortie en T2 - composante longitudinale de M z = exponentielle en T1 Relaxation transversale en T2 Relaxation longitudinale en T1 M xy 3 M 0 M z t -1-2 ω 0 M z i t -3 M xy (t) = M xy i exp(-iω 0 t) exp(-t/t2) M z (t) = M 0 + (M z i - M 0 ) exp(-t/t 1 ) 30/11/

15 La Résonance Magnétique Nucléaire Vue 3D du pénomène de RMN 30/11/

16 La Résonance Magnétique Nucléaire Mouvement de double précession 30/11/

17 La Résonance Magnétique Nucléaire Origine de la relaxation : Champs locaux produits par les moments magnétiques nucléaires fluctuations de B 0 liées aux mouvements moléculaires, donc au temps de corrélation τ c (temps caractéristique des mouvements moléculaires) Modèle de Bloembergen, Purcell et Pound (BPP) : T1 et T2 en fonction de τ c : temps T1 T2 1/(2πν0 ) mobilité des molécules τ C La vitesse de retour à l équilibre de M varie selon les molécules et selon leur environnement. Ce phénomène est à l origine du contraste en IRM. 30/11/

18 La Résonance Magnétique Nucléaire Repousse de l aimantation longitudinale suivant Mz 30/11/

19 La Résonance Magnétique Nucléaire T1 -> interactions spin-réseau 30/11/

20 La Résonance Magnétique Nucléaire 30/11/

21 La Résonance Magnétique Nucléaire Décroissance de l aimantation transversale 30/11/

22 La Résonance Magnétique Nucléaire 30/11/

23 La Résonance Magnétique Nucléaire 30/11/

24 La Résonance Magnétique Nucléaire 30/11/

25 La Résonance Magnétique Nucléaire Mesure du signal RMN Excitation par une onde RF très brève et intense basculement de M dans le plan transversal Retour à l équibilibre rotation de la composante transversale M xy à la fréquence ν 0 variation du flux magnétique au voisinage de l échantillon ddp induite dans une boucle de courant proportionnelle à M xy (t) ddp 4 3 B 0 M FID (Free Induction Decay) ESIEA - Cours IRM 30/11/

26 La Résonance Magnétique Nucléaire Principaux noyaux d intérêt biologique détectables en RMN : noyau abondance naturelle (%) rapport gyromagnétique γ (rad.s -1.T -1 ) 1 H 99,98 267, C 1,11 67, F 100,00 251, P 100,00 108, Sensibilité : RMN = phénomène difficile à mesurer in vivo car le signal de résonance est très faible Mauvais rapport signal-sur-bruit S/B par unité de temps : S/B γ 2.[noyau].r x.r y.r z.(t acq ) 1/2 avec r x, r y, r z : dimensions du voxel, T acq : tps d acquisition, [noyau] : concentration du noyau La sensibilité de détection varie avec γ et avec l abondance naturelle La RMN du 1 H présente une sensibilité relative très élevée 30/11/

27 La Résonance Magnétique Nucléaire En résumé 4 3 aimantations nucléaires B Encodage de l espace Transformée de Fourier excitation RF SRM IRM ESIEA - Cours IRM 30/11/

28 Plan La Résonance Magnétique Nucléaire Interaction magnétique nucléaire Perturbation de l aimantation et retour à l équilibre Mesure du signal de RMN Principe de l Imagerie RMN Encodage de l espace Séquences d IRM Contraste 30/11/

29 Principe de l imagerie RMN Encodage de l espace L imagerie RMN détecte les 1 H des molécules d eau (solvant des tissus biologiques) image RMN cartes de densité en eau de l'échantillon, modulée par le contraste Localisation du signal RMN par variation contrôlée de B 0 (gradients de champ magnétique) Encodage de l espace Transformée de Fourier 30/11/

30 Sélection de coupe Principe de l imagerie RMN En présence d un gradient de champ magnétique G z l induction magnétique s écrit : B 0 (z) = B 0 + G z.z La fréquence de Larmor s écrit : ν(z) = (γ/2π)b 0 (z) = (γ/2π)b 0 + (γ/2π)g z.z ν(z) = ν 0 + (γ/2π)g z.z En présence de G z, la fréquence de Larmor est une fonction de z. Or seules les aimantations excitées à la fréquence de Larmor sont basculées ds le plan transversal Le choix de la fréquence d excitation RF permet de sélectionner une coupe. La sélection de coupe consiste à appliquer l excitation RF en présence d un gradient de champ magnétique appliqué selon une direction orthogonale à la coupe. B 0 (z>z 1 ) B 0 z 1 B 0 (z 1 ) B 0 (z<z 1 ) G z Combinaison linéaire de G x, G y et G z sélection d'un plan oblique possible 30/11/

31 Principe de l imagerie RMN Codage par la fréquence En présence d un gradient de champ magnétique G x l induction magnétique s écrit : B 0 (x) = B 0 + G x.x La fréquence de résonance s écrit : ν(x) = (γ/2π)b 0 (x) = (γ/2π)b 0 + (γ/2π)g x.x ν(x) = ν 0 + (γ/2π)g x.x Equivalence «fréquence de résonance / position spatiale» Le codage par la fréquence consiste à enregistrer le signal RMN en présence d un gradient de champ magnétique appliqué selon la direction codée. B 0 (x 1 ) B 0 (x 2 ) B 0 acquisition de la FID 4en présence de G x TF x 1 x ν 1 ν /11/

32 Principe de l imagerie RMN Séquences d IRM Séquence = description temporelle de la manipulation de l aimantation Séquence d écho de gradient (pondération T2*) Les aimantations représentées (verte et orange) sont situées à des abscisses x différentes 90 x 90 x RF RF G z G z G x G x tps d écho TE tps de répétition TR y y x x 30/11/

33 Inhomogénéités de B 0 et T2* Effets de susceptibilité magnétique des tissus biologiques défauts d'homogénéité de B 0 dans l'échantillon Les aimantations traversées par ces gradients indésirés ne voient pas le même B 0 accélération des déphasages dans le plan transversal : T2* < T2 30/11/

34 Principe de l imagerie RMN Séquence d écho de spin (pondération T2) Ici, le déphasage entre les aimantations représentées (verte et orange) est dû à un gradient de champ indésiré (inhomogénéité de B 0 ) RF 90 x 180 y G z G x temps d écho TE y x 30/11/

35 Principe de l imagerie RMN Séquence d écho de spin (2) Ici, le déphasage entre les aimantations représentées (verte et orange) est dû à des abscisses x différentes RF 90 x 180 y G z G x temps d écho TE y x 30/11/

36 Principe de l imagerie RMN Séquence d inversion-récupération (pondération T1) Ici, les aimantations représentées (verte et orange) diffèrent par leur T1 RF RF puis G x écho de gradient ou RF 180 y G z temps d inversion TI G x écho de spin z y x 30/11/

37 Principe de l imagerie RMN Obtention d'une image par projection-reconstruction Mais résolution spatiale inhomogène en pratique, on utilise une méthode de codage alternative (codage par la phase) qui permet d obtenir une résolution spatiale homogène 30/11/

38 Principe de l imagerie RMN Contraste Diversité des valeurs de T1 et T2 dans les tissus biologiques Contraste IRM = pondération de l acquisitions pour faire ressortir le signal d un tissu TR court : pondération en T1 TE long : pondération en T2 (ou T2*) A 3T: T1 LCR 3s, GM 1.1, WM /11/

39 Exemple d IRM cérébrale Principe de l imagerie RMN Coupe de cerveau pondérée T1 30/11/

40 Exemple d IRM cérébrale Principe de l imagerie RMN Rendu 3D du cortex cérébral, détection automatique des sillons et des fibres (Mangin et al.) 30/11/

41 L environnement technique de la RMN Hardware Aimant supraconducteur entier équipé de gradients Informatique Electronique Programmation de séquence Traitement des images Sondes radiofréquences 30/11/

42 Systèmes IRM à Orsay une machine de mesure de l aimantation nucléaire un aimant très intense 3T 1.5T Bobines auxiliaires les «gradients» Émetteur/récepteur RF 30/11/