LES BASES PHYSIQUES DE L IRM DR P.MASCAREL Radiologue
«voir à l intérieur du corps sans le nuire» Hippocrate 460-370 avant J-C
L irm est l imagerie de l atome d hydrogène. Ce dernier est présent dans la molécule d eau qui constitue 65% du corps humain. Chaque atome d hydrogène est constitué d un électron et d un proton. Chaque atome peut donc être assimilé à un petit aimant dont le pole négatif serait représenté par l électron unique.
Ces petits aimants que l on va appeler des spins vont tourner sur eux même et s orienter de manière aléatoire.
On va créer un champ magnétique appelé B0 dix mille fois plus puissant que le champ magnétique terrestre. Comme tout champ magnétique B0 va comporter un pole positif et un pole négatif. Il y aura donc une interaction entre les spins et B0. les spins vont s aligner dans l axe de B0.
Les spins vont tourner autour de l axe B0, c est ce que l on appelle le mouvement de précession.
Ce mouvement de précession qui ressemble au mouvement d une toupie s exprime de la manière suivante. B0 s exprime en tesla. w est la fréquence de précession correspondant à une vitesse angulaire (tours par seconde). Y est le rapport gyromagnétique caractéristique du noyau étudié. Pour le proton il est de 42.57 mhz/t. Dans un champ magnétique de 1 tesla w est donc de 42.57MHz
En mécanique quantique il existe deux positions d alignement possible pour les spins : dans le sens de B0 et dans le sens inverse. La proportion de spins orientés dans le même sens que B0 est nettement supérieure. le rapport entre les deux populations de spins est l ordre de 6/100 000. La résultante de tous ces moments magnétiques est donc un vecteur parallèle à B0.
Les deux groupes de spins ( parallèles et anti parallèles) vont interagir avec B0. Il va en résulter une énergie d interaction pour chaque groupe. La différence d énergie s exprime suivant l équation suivante : h est la constante de Planck h = 6,62.10-34 J.s On constate donc que cette différence d énergie est proportionnelle à B0, d ou l intérêt d obtenir un champ magnétique le plus puissant possible.
Les spins situés dans le champ B0 tournent dans l axe de B0 mais gardent leur indépendance. Certains penchent à droite d autres à gauche, on dit qu ils ne sont pas en phase. La somme des moments magnétiques est donc nulle dans le plan transversal perpendiculaire à B0
LE PRINCIPE DE LA RESONANCE Pour que deux systèmes échangent de l énergie il faut qu ils soient en résonance. Exemple des diapasons: un diapason accordé sur le LA n excite que le diapason qui donne la même note que lui.
LA RESONANCE On applique un champ magnétique B1 dans le plan perpendiculaire à B0 qui aura les propriétés suivantes : - B1 sera 10 puissance 6 fois plus faible que B0. - B1 sera un champ magnétique tournant. - la vitesse de rotation de B1 sera égale à la vitesse de précession des spins. - cette fréquence de rotation sera appelée fréquence de LARMOR elle est égale à YB0. Grâce à la concordance des fréquences les spins et B1 vont entrer en résonance.
On dit alors que les spins sont en phase. Les spins vont alors présenter un mouvement complexe car ils vont présenter un double mouvement de précession autour de B0 et autour de B1.
Pour pouvoir visualiser ce mouvement complexe il faut prendre comme référentiel le plan tournant du champ magnétique B1. Par analogie, quand on regarde de l extérieur le mouvement d un cheval de bois sur un manège, celui ci est complexe.car s associent la rotation du manège et la translation du cheval. Par contre si on se place sur le plateau du manège seule est perçue la translation. En irm le plateau du manège est le plan du champ magnétique tournant B1.
Dans cette représentation le mouvement des spins est représenté par une simple bascule par rapport à l axe B0 qui résulte de l apparition d une aimantation transversale. Cette aimantation transversale étant elle même due à la mise en phase des spins dans le champ B1
En représentation vectorielle nous avons donc le vecteur M correspondant aux spins ayant basculé sous l effet du champ B1, va donc pouvoir se décomposer en un vecteur Mz correspondant à l aimantation longitudinale et un vecteur Mxy correspondant à l aimantation transversale.
Suivant une loi physique un aimant qui se déplace devant une bobine va induire la création d un courant électrique dans cette bobine. C est grâce à cette propriété physique que l on va pouvoir enregistrer les mouvements des spins. Le signal de la résonance magnétique est né.
La bobine qui va nous servir de récepteur sera positionnée dans le plan B1. Elle va enregistrer un signal complexe résultant du mouvement complexe des spins. Le signal va avoir un aspect grossièrement sinusoïdal mais anarchique. Il existe un outil mathématique qui va nous permettre de décomposer ce signal afin de le rendre clair, il s agit de la transformée de FOURIER.
Cet outil mathématique permet de décomposer toute fonction périodique en une somme de sinusoïdes simples de période plus ou mois longue.
LA RELAXATION Lorsque l on supprime le champ magnétique B1,les spins vont revenir à leur état d équilibre dans le champ B0. Ils vont se remettre parallèles à B0. Cela s appelle la relaxation. Sur le plan physique cela correspond à la réapparition du déphasage des spins dans le plan transversal. Sur le plan vectoriel le vecteur Mz augmente et le vecteur Mxy diminue jusqu à s annuler.
La relaxation après suppression de B1. La variation croissante de la projection longitudinale s appelle la relaxation longitudinale et la variation décroissante de la projection transversale s appelle la relaxation transversale
Par convention on appellera T1 le temps que le vecteur Mz prend pour atteindre 63% de sa valeur d origine dans le champ B0 isolé. Par convention on appellera T2 le temps que le vecteur Mxy prend pour perdre 63% de sa valeur d origine lorsqu il était sous l influence des champs B0 et B1.
La repousse longitudinale se fait de manière exponentielle suivant la formule suivante :
La décroissance de la composante transversale se fait de manière exponentielle suivant la formule suivante :
Dans le corps humain chaque tissu a un T1 caractéristique. Le T1 est d autant plus petit que les noyaux d hydrogène sont liés à des molécules de grande masse molaire. Cette relaxation est également appelée relaxation spins/réseau.
Le T1 d un tissu est conditionné par la proportion entre l eau libre et l eau liée dans des liaisons moléculaires suivant la formule : x étant la fraction d eau liée par rapport à l eau totale
La relaxation transversale qui correspond au déphasage des spins dans le plan transversal est due à l interaction des spins entre eux. C est pourquoi cette relaxation est également appelée relaxation spins/spins. Cette relaxation est nettement plus rapide que la relaxation longitudinale. ( T2 est donc toujours inférieur àt1)
Le T1 étant différent pour chaque tissu le signal va être codé dans une échelle de gris pour transcrire visuellement cette différence de T1.
Suivant le même principe les différences de T2 des tissus vont être visuellement retranscrites sur une échelle de gris.
Les différentes séquences d acquisition de l image. On pourra obtenir pour le même tissu sur la même coupe des images différentes suivant que ces images vont refléter le T1 ou le T2 du tissu. La séquence est donc un protocole d excitation et de recueil des informations qui va permettre de faire ressortir des informations représentatives du T1 ou du T2 des tissus.
Deux paramètres vont permettre de caractériser une séquence :le TR et le TE. -Le TR est le temps de répétition. en effet pour obtenir un signal exploitable on va faire plusieurs bascules successives du vecteur M. le TR exprime le temps qui s écoule entre deux excitations. -Le TE est le temps d écho. il correspond à la durée à laquelle le récepteur va analyser le signal.
Influence du TR si le TR est court (400 à 600 ms) les spins ne sont pas revenus totalement à leur état d origine. Comme chaque tissu a un T1 différent on va alors pouvoir différencier ces tissus.
Influence du TR Si le TR est long (2000 ms) tous les spins sont revenus à leur état d origine, on ne pourra donc pas différencier les tissus entre eux par leur T1. Par contre le signal sera proportionnel aux nombres de spins donc à la densité de protons.ce qui est corrélé avec l hydratation.
Influence du TE le TE est le temps auquel le récepteur analyse le signal. si le TE est court(10 à 20 ms) la relaxation transversale n a pas encore suffisamment progressé pour différencier les tissus par leur T2.
Influence du TE si le TE est long mais inférieure à 80 ms la relaxation transversale aura bien progressé. Le déphasage spins/spins sera suffisant pour bien différencier les tissus par leur T2.
On peut donc en déduire les différentes séquences utilisées : - TR court et TE court = pondération T1 - TR long et TE court = pondération en densité de proton - TR long et TE long = pondération T2. Un TR court se situe à environ 500 ms Un TR long se situe à plus de 2000 ms Un TE court se situe à environ 20 à 30 ms Un TE long se situe à plus de 80ms
Compte tenu des T1 et T2 des différents tissus on obtient donc la transcription en échelle de gris suivante:
Les différentes séquences utilisables: - Les séquences en spin écho - Les séquences en écho de gradient
Les séquences en spin écho : Il faut savoir que lorsque les spins reviennent à leur état d origine, cette repousse va se faire suivant les caractéristiques du tissu, mais va également être influencée par des hétérogénéites du champ B0. Les séquences en spin écho vont permettre de s affranchir des hétérogénéites du champ B0.
Les séquences en spin écho. Cela est possible grâce à l utilisation d un artifice technique correspondant à une bascule de rephasage des spins de 180 degrés: techniquement on réalise une première excitation avec une bascule à 90 degrés des spins, puis au temps TE/2 on réalise une bascule à 180 degrés des spins. cette deuxième bascule gomme les hétérogénéites du champ B0.
Les séquences en spin écho Pour comprendre prenons l exemple du lièvre et de la tortue: A un temps T après le départ,le lièvre et la tortue n ont pas parcouru la même distance. On leur donne alors l ordre de faire demi tour. Au temps 2T ils arriveront en même temps bien qu ils n aient pas parcouru la même distance. Dans cet exemple le lièvre et la tortue représentent le comportement différent de deux spins imputable aux hétérogénéites de B0, et l ordre de faire demi tour correspond à la bascule à 180 degrés de rephasage.
Séquence spin écho
Les séquences en écho de gradient : Dans ces séquences on réalise une bascule inférieure à 90 degrés et on ne fait pas de bascule de rephasage. Ces séquences seront donc sensibles aux hétérogénéites de B0 mais seront beaucoup plus rapides.
La machine comporte un gros électro-aimant constitué de 30Km de fils supra conducteurs qui baignent dans de l hélium liquide à -268.95 degrés. Ce gros électro-aimant produit B0. Il existe un émetteur excitateur qui sert à produire l onde radio qui correspond à B1 et à enregistrer le signal à l arrêt de B1.
Les différentes séquences T1 T2 eau : t1 long, t2 long graisse: t1 court, t2 long
T1 T2 ET FLAIR eau : t1 long, t2 long graisse: t1 court, t2 long
T2 STIR
DENSITE DE PROTONS ET FS T1
T1 T2
QUELQUES EXEMPLES DE PATHOLOGIES
Tumeur cérébrale
hémochromatose
La sclérose en plaque
Lésion méniscale
Kyste de l ovaire
Fibromes utérins
Rupture du ligament croisé antérieur
Cancer de la prostate
Hydrocéphalie par sténose de l aqueduc de SYLVIUS
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Ce patient est exploré pour une ostéonécrose des deux hanches. La séquence utilisée comporte un TR de 520 ms et un TE de 14 ms Quelle est sa pondération?
Patiente explorée pour un kyste dermoide de l ovaire séquence TR 2500 ms TE 120 ms Il existe deux contingents dans ce kyste Quel est le contingent qui à le T2 le plus court?
Les chiffres et les formules :