RMN: résonance magnétique nucléaire PDF

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Cours de DFGSM2...

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UE BIOPATHOLOGIE-IMAGERIE, RMN

RMN Compléments er

Remarques : Ce cours c’est 2 QCM à l’examen, le 1 portant sur les relations entre : durée ème d’impulsion radiofréquences, sa largeur de bande, sa résolution, etc.… et le 2 sur un cas clinique. Les QCM sont de même type chaque année. Sommaire : I-

Rappels PACES

1- Expérience RMN 2- Pondérations 3- Transformée de Fourier II-

Formation de l’image

1- Principe 2- Passage en 3D

III123456789IV-

Séquences d’acquisition Phénomène de relaxation T2 Séquence d’écho de gradient Séquence d’écho de spin Séquence d’inversion-récupération Séquence FAT-SAT ARM ARM TOF IRM de diffusion DWI IRM de diffusion DTI Cas clinique

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IRappels PACES 1- Expérience RMN On s’intéresse pendant ce cours au proton et à ses propriétés magnétiques. Lorsque plongé dans un champ magnétique externe le proton acquiert un mouvement de précession définit par la relation de Larmor (ω la fréquence ou pulsation, γ le rapport gyromagnétique du proton et B l’intensité du champ magnétique). Effet Zeeman : Lorsqu’un dipole est plongé dans un champ, il acquiert une enérgie magnétique. Cet effet explique qu’on favorise le déséquilibre de population entre les énergies positives et négatives, car cela entraine un signal de meilleure qualité. Le champ magnétique permet une orientation préférentielle dans la direction du champ et entraine une aimantation macroscopique M. On considère cette direction toujours orienté selon l’axe z (sens cranio-caudal chez un patient). On perturbe le champ avec une impulsion magnétique (des radiofréquences) B1 à la bonne fréquence de résonnance donnée par la formule de Larmor. Cela fait basculer l’aimantation vers le plan transverse d’un angle que l’on définit (90 ou 180 degrés en pratique). L’aimantation longitudinale disparait pour laisser place à l’aimantation transverse. Une fois l’impulsion radiofréquence arrétée, les spins se déphasent progressivement et l’aimantation transverse décroit selon une exponentielle décroissante.

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ere

1 étape préparation : Champ magnétique B 0, on obtient une croissance saturante de l’aimantation qu’on arrête à un temps tr. T1 est propre au matériau, il varie s’il s’agit de liquide, de tissus mous, durs, etc…

ème

2 étape perturbation : RF et apparition de l’aimantation transverse dans le plan xy. On rappelle η=90 ou η=180.

ème

3 étape mesure : on va mesurer la précession de cette aimantation transverse qui va décroitre. On mesure le signal (appelé signal RMN) à un temps d’écho te. Ce signal dépend de la valeur asymptotique de l’aimantation longitudinale, du temps tr (de l’angle mais sin (90) =1), et du te.

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2- Pondérations : On va, pour analyser les images, faire des pondérations : Rappel : Hypersignal correspond à du clair ; Hyposignal correspond à du sombre.

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3- Transformée de Fourier (TF) Tout signal périodique peut se décomposer grâce à la transformée de Fourier, en une somme de signaux sinusoïdaux. Elle permet de passer de la composition d’un signal composite à la composition en fréquence de ce signal. Ce signal est composé de deux sinusoïdes : une 1ere composante à oméga1 d’amplitude A1, car la sinusoïde est un peu plus ample et ème une 2 composante à une fréquence plus élevée avec une amplitude plus faible.

Pour le signal cos, sin : la sinusoïde simple est une harmonique unique à une raie donnée en fonction de la fréquence du signal initial. (La seule fonction à ne pas varier par TF est la gaussienne. La transformée d’une Gaussienne donne une gaussienne. Seule sa largeur varie : plus elle est large dans le domaine temporel, plus son spectre fréquentiel est étroit) ème

On peut composer des signaux : (la 3 courbe correspond au produit des deux premières) on obtient donc une gaussienne décalée au niveau de la fréquence donnée, on étale donc légèrement le spectre (on a une frange et non un pic). Si on a un signal réduit dans le temps, son spectre est large et inversement.

En RMN on cherche à trouver la bonne fréquence dite de Larmor, or on ne peut créer un signal à une harmonique : le signal RF est finie dans le temps, il dure quelques milli/micro secondes. On cherche donc des impulsions RF qui n’ont pas une fréquence donnée mais comprise entre deux valeurs. Or avec des gaussiennes on retrouve des fréquences préférentielles. Le sinus cardinal ( sin/t ) donne ce signal particulier donnant par TF une forme de rectangle.

On va donc faire le produit de notre signal avec celui d’un sinus cardinal pour obtenir un rectangle. On voit avant TF, une sinusoïde avec un lobe central et des lobes sur les côtés. Page 5 sur 25

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On peut appliquer la TF dans 2 dimensions. Un signal réel donne une TF paire (on utilisera uniquement des signaux réels). C’est pour cela que l’on observe deux points. Quand on prend un signal périodique dans une direction, sa TF est une raie. Et la fréquence du signal est d’autant plus élevée que la périodicité du signal est fine :

IIFormation de l’image 1- Principe On place un cerveau dans le champ électromagnétique B0, on attend suffisamment longtemps pour obtenir une aimantation longitudinale. Puis on perturbe le système avec une onde radiofréquence. L’aimantation résultante est la somme des petits dipôles dans le cerveau. Or l’image obtenu est en une seule dimension, on souhaite obtenir de la 2D/3D, et connaître l'aimantation précise à l’intérieur de chacun des voxels. Le signal FID, est un signal périodique. Sa transformé de Fourier est un signal monochromatique, on obtient donc une seule raie à la fréquence de Larmor ω0 et d’amplitude M. On veut connaître la quantité d'aimantation dans le voxel (entre 1 et 5 mm ) pour la résolution. On peut jouer sur le temps d’écho et de répétition pour fabriquer l’image mais aussi sur le champ magnétique (toujours la même direction et le même sens : z+). Mais il est non uniforme car dans l’IRM il y a des bobines de gradient, accessoires supplémentaires qui permettent de moduler l’intensité du champ dans l’espace. Elles créent alors des gradients de champ dans n’importe quelle direction de l’espace. Ce sont des variations linéaires de champ. Le champ n’aura donc pas la même valeur dans les différents points de l’espace :

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Donc le champ effectif dans un voxel correspond au champ de fond (B0) plus le gradient (GE). Le gradient correspond à la dérivée du champ par rapport à l’axe z, on peut donc jouer sur l’intensité de ce gradient : c’est un gradient d'encodage.

On essaie de se concentrer sur une coupe qui est à une altitude z0 et on considère qu’à ce niveau de coupe là, le champ vaut B0 et grâce au gradient, au-dessus le champ sera un peu plus élevé, en dessous il est un petit peu plus bas. Donc quand on applique les radiofréquences à la fréquence de Larmor, elles vont faire basculer uniquement les spins qui précessent à cette fréquence-là (on fait une sélection). C’est à dire ceux qui ressentent B 0. On fait basculer les spins uniquement dans la coupe qu’on étudie. Puis on change de RF et on obtient les informations pour la coupe du dessus, etc… Si on recueille le signal, on a un signal périodique à la fréquence de Larmor et l’amplitude de ce signal n’est plus M (aimantation complète du cerveau) mais m (aimantation dans la coupe sélectionné), on prend alors sa TF et on peut ainsi lire l'aimantation dans cette coupe.

L’appareil d’IRM est conçu avec pas mal de bobines accessoires de manière à pouvoir appliquer ce gradient de champ dans n’importe quelle direction. Pour calculer le Δe, on utilise une impulsion radio fréquence dont on connaît sa forme, elle permet d’avoir un spectre caractérisé, qui est centré sur la fréquence de Larmor mais qui a une petite extension de la fréquence de Larmor qui est appelé la largeur de bande, que l’on note Δω car la radio fréquence contient un intervalle de fréquence entre Δω0-½ et Δω0+ ½ Pour des raisons mathématiques, plus le signal est étalé dans le temps, plus il est restreint en fréquence, La largeur de bande est inversement proportionnelle à la durée de l’impulsion RF. Plus l’impulsion a une longue durée, plus le spectre est fin.

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On stimule donc notre système avec un intervalle de RF, on fait basculer les spins dans une petite épaisseur de coupe. La pente correspond donc à l’intensité du gradient : très pentu si le gradient est intense. On peut calculer l’intervalle de champ ΔB (car on fait basculer tous les spins qui oscille dans la largeur de bande) en utilisant la formule Δω= γ. ΔB.

On cherche à obtenir des images à la meilleure résolution possible soit un Δe le plus petit possible. Le 2π et le γ sont des constantes, il reste la durée de l’impulsion et le gradient. Soit on augmente la durée des impulsions RF car plus l’impulsion est longue (soit une durée grande), plus la largeur de bande est petite, plus on stimule un plan le plus fin possible (car peu de fréquences vont être stimulés) et meilleure sera la résolution (limitée par la technique car on ne peut pas envoyer des RF qui font 10 minutes). On peut également jouer sur l’intensité du gradient, plus le gradient est intense plus l’épaisseur de coupe est fine.

On a alors des images dans une coupe, mais comment les avoir dans un volume ? 2- Passage en 3D (en théorie, il s’agit plus de comprendre cette partie plutôt que de l’apprendre) On veut une coupe en z, on va alors coder le plan xy à une altitude z 0 donnée. On a fait basculer m 0 pour cette coupe, on obtient notre signal, on applique la TF et on connaît m 0, l'aimantation pour cette coupe. On prend une grille cartésienne (256*256), on veut savoir pour un voxel donné, quel est son aimantation. Pour se faire, on applique alors un deuxième gra-dient :

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On appliquera au total trois gradients : - Le premier est le gradient de sélection de coupe, appliqué lorsqu’on envoie les radiofréquences. Il permet de faire basculer les spins uniquement dans une coupe et ainsi sélectionner à priori une épaisseur d’étude. Il s’agit de l’étape la plus importante. - Puis deux gradients d’encodages (de lecture) qui permettent de coder l’image : en fréquence et en phase (pour la Culture G), appliqué pendant la lecture. -

Gradient de fréquence :

Après avoir appliqué le gradient de sélection, les spins de la coupe sélectionnée ont donc basculé, l'aimantation dans le plan transverse apparaît et les spins précessent à la fréquence ω0. On applique ensuite le gradient en fréquence dans une deuxième direction de l’espace, perpendiculaire à celle du gradient de sélection, par exemple en y. La fréquence de précession du spin est gradée selon sa position en y. On obtient un signal composite qui est la somme de tous les signaux enregistrés avec des fréquences différentes en fonction de leur position en y. En TF, ce signal donne plusieurs raies. Pour chaque position en y, on a une raie différente car les spins, selon y, ont une fréquence différente. La hauteur de chaque raie correspond à l’ai-mantation transverse propre m x à chacune des barrettes. Le spectre du signal est une image de projection.

Il faut ensuite faire varier la direction du gradient, grâce aux bobines, dans toutes les directions de l’espace, on obtient donc une série d’enregistrement. On a donc enregistré des projections de l’image dans de nombreuses directions de l’espace. On en enregistre un grand nombre puis on utilise un échantillonnage angulaire suffisamment fin et des techniques de re-construction tomographique (somme de projections qui permet de repro-jeter) pour obtenir l’image. On obtient ceci si on projette de manière simple, en renvoyant dans toutes les directions de l’espace. On a ajouté successivement des directions. On obtient un objet flou.

Avant de rétroprojeter il faut filtrer les projections de manières à accentuer les détails, c'est le filtrage Pasco. On accentue les hautes fréquences et les détails de l’image.

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On met le Gradient de sélection en z pour choisir une coupe, puis un gradient de lecture ap-pliqué dans une série de direction dans le plan xy, pour avoir les projections de la coupe dans toutes les directions. Ces projections sont ensuite rétroprojeter après filtrage et on récupère alors l’image.

-

Gradient de phase : (il s’agit d’une technique alternative, celle qu’on utilise aujourd’hui. Elle est plus complexe et le prof la présente à titre informatif, aucune ques-tion ne peut être posée dessus à l’examen) On applique un gradient dans la direction y, pour coder l’espace en termes de fréquence. On a alors un signal temporel composite qui correspond à la somme de tous les signaux.

On applique également les gradients de phase de manière à construire une pseudo deuxième dimension qui ressemblerait à un temps que l’on nomme s. On a un signal codé en fréquence à la fois dans la direction y et dans la direction x. On retrouve alors notre image 2D directement Pour chaque valeur de s (pseudo-temps) et de t, on a une amplitude donnée, on utilise la transformé de Fourier et on obtient l'image.

Mode de fonctionnement : On utilise des gradients de phase qui permettent de déphaser un petit peu les spins en fonction de leur position en x. Au départ, on considère que les spins sont tous dans la même direction car on applique un premier gradient qui est nul (s=0) Puis on applique successivement des gradients (autant de fois qu’il y a de ligne dans l’image (ex 256)) de plus en plus fort de manière à ce que le décalage soit de plus en plus marqué. En oscillant à des fréquences différentes en fonction de leur position en x, les spins se déphasent car ils n’ont plus la même vitesse. On obtient alors une succession de signaux temporaux. En empilant les signaux, on crée une matrice et on obtient un temps dans une direction et un pseudo temps dans l’autre. Page 10 sur 25

Besson, Billerey, Blachon

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Le signal est périodique dans les deux cas :  En t car les fréquences de précession ne sont pas les mêmes  En s car on a décalé la position sur la ligne de départ en utilisant les gradients de phase. La fréquence dans la coordonnée t code la position y, et la fréquence en s code la direction x. On peut alors remplir le plan de Fourier :  Au centre on trouve les basses fréquences de nuage qui sont très importantes  En périphérie on a les hautes fréquences avec les détails, le bruit etc…

-

Résumé : RF : radiofréquence, marque le début de l'expérience de RMN Slice : signifie coupe, gradient de sélection Phase : gradient de phase Readout : gradient de lecture

Le signal RMN tel qu’on l’étudie correspond à l’écho qu’on enregistre. On applique le gradient de sélection de coupe pendant la bascule pour ne faire basculer les spins que dans une seule coupe. On applique plusieurs gradients de phase pour décaler les spins sur la ligne de départ. Et ensuite pendant qu’on lit le signal, on applique le gradient de lecture pour encoder la direction qui reste (y dans notre exemple) Le signal est un signal temporel qui nous permet de remplir une ligne de l’espace de Fourier, on répète l’expérience 256 fois pour 256 valeurs du gradient de phase. On prend ensuite la transformée de Fourier, on a une coupe complète. Puis on sélectionne une nouvelle coupe grâce à un nouveau gradient de sélection. On re-construit comme ça toute l’image.

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IIISéquences d’acquisition 1- Phénomène de relaxation T2 La relaxation T2 s’explique par les petites variations locales et statiques du champ magnétique B0 qui n’est pas parfaitement uniforme (B0). Cette non-uniformité a 2 origines :

→ les B0 technologiques liées aux imperfections de l’appareil → les B0 dues à l’environnement moléculaire (c’est ce qui nous intéresse pour étudier un patient) On considère 2 constantes de temps T2 : ”

→ T2 (T2 “vraie ) ne considérant que les B0 dus à l’environnement moléculaire du voxel étudié. → T2 * prenant en compte les B0 liés à l’environnement moléculaire et les B0 liées aux imperfections de l’appareil.

2- Séquence d’écho de gradient

Au départ le signal est en T 2, puis il s’amortit à cause des inhomogénéités technologiques du champ donc l’amortissement est en T2 * (les images en T2 et en T2 * sont celles utilisées).

Pendant 1 ms, on applique un gradient déphasant. Les spins se déphasent plus rapidement, le signal décroit donc très rapidement.

Ensuite, on applique durant 2 ms un gradient inverse (en direction opposée). Les spins sont accélérés pour se remettre en phase. On fait donc réapparaître un signal : un écho. C’est cet écho qui est enregistré pour l’obtention de la séquence d’écho de gradient.

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L’imagerie T2* est dite de « susceptibilité magnétique » car elle permet de localiser le magnétisme de la matière (on repère les molécule para- ou diamagnétiques). On distingue en T2* particulièrement : → le calcium qui possède une susceptibilité négative → Les produits de dégradation de l’hémoglobine qui possèdent une susceptibilité positive (utile pour repérer des caillots sanguins). L’image DWI (par diffusion) permet de constater un AVC pour ce patient. Pour tout AVC, la première question qui se pose : Est-ce un AVC ischémique ou hémorragique ? → Sur l’image T2* on détecte un hyposignal, il s’agit donc d’un saignement. On détecte également plusieurs micro-saignements dans la partie postérieure du cerveau.

*

Ici, l’hyposignal en T 2 correspond à une calcification des plexus choroïdes

Saignement * (hyposignal en T 2 ) Zones avec micro saignements (hyposignaux)

3- Séquence d’écho de spin Cette séquence permet d’obtenir une image T2 vraie. La méthode consiste à envoyer un pulse à 90° pour déphaser les spins puis à émettre une radiofréquence pour leur faire faire une bascule à 180°. On obtient un écho. Cet écho ne sera pas amorti par les fluctuations du champ liées à l’appareil mais seulement par celles liées à l’environnement moléculaire. On a donc une image T2 vraie. Les images en T 2 sont anti anatomique : la matière blanche apparait grise et inversement. Image T2 d’une patiente atteinte de sclérose en plaques. Cette pathologie se traduit par des anomalies de signal de la matière blanche. Ici la première image T2 (image B) est compliquée à lire à cause du LCR en hypersignal. On applique donc une séquence d’inversion-récupération, c’est une séquence qui permet d’annuler le signal d’un composé. Dans ce cas, on annule l’eau, le LCR apparaît dans la deuxième image (image C) en hyposignal. On arrive donc à repérer un signal blanc qui persiste dans l’hémisphère droit du cerveau (à gauche de l’image, pointé par la flèche grise). Page 13 sur 25

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4- Séquences d’inversion-récupération (FLAIR et STIR) Ces séquences consistent à appliquer une radiofréquence provoquant une bascule de 180° au début puis à patienter durant le temps d’inversion (TI) pour ensuite à appliquer le procédé de l...