UE3 - Cours 18 - RMN partie 2 . PDF PDF

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rmn partie 2 et fin...

Description

V- La spectroscopie RMN 1 – l’appareillage

On utilise un spectromètre RMN, c'est composé d'un élément capable de générer un champ magnétique intense avec : - Bobine supra : elle fait passer un courant électrique, elle est constituée d'un alliage mécanique constitué de Nb-Ti-Ta (= alliage particulier). Cette bobine laisse passer le courant électrique sans effet joule, sans déperdition de chaleur (= courant magnétique perpétuel) lorsqu'elle est placée à très basse température -ici - 269°C. - Hélium liquide à la température de - 269°C Il est placé dans un second guilloir : qui contient de l'azote liquide à - 196°C : le but est de consommer le moins d'hélium liquide possible. Il faut changer ces fluides de manière régulière car ils s'évaporent à température ambiante. L'échantillon est placé dans un tube RMN, ce tube est placé par l'orifice rouge tout en haut et glisse jusqu'en bas au niveau de la bobine - Bobine de radiofréquence sert à exciter et à collecter le signal RMN lors de notre expérience. Elles servent à la fois pour l'émission et pour la réception du signal RMN. L'analyse se fait, en général, sous forme liquide. On le place dans un solvant deutéré. Qu'est ce que la spectroscopie ? Analyse et mesure des longueurs d'onde du rayonnement EM émis, absorbé ou diffusé par les atomes ou molécules Notion introduite par Newton en 1641 La lumière blanche contient toutes les fréquences des lumières visibles

Un spectre est composé de l'ensemble des fréquences issues de la dispersion de la lumière incidente (polychromatique) par un élément de matière

v = 1/T et v' = 1/T' On peut magnétiser un voxel en le plongeant dans un champ magnétique, si on irradie ce voxel, à la fréquence de résonance de ces molécules d'eau, j'observe la bascule du vecteur d'aimantation : j'observe la relaxation spécifique des protons liés aux molécules d'eau. Pour basculer ici le VA il faudra utiliser une fréquence v' (= fréquence de Larmor caractéristique du chloroforme. Sinusoide amortie caractérisée par la période et la fréquence Chlorure de carbone = chloroforme Conséquences => On fait basculer le vecteur d'aimantation dans le plan transversale => Relaxation Onde électromagnétique contenant une infinité de RF dans une bande passante

Irradiation avec une bande passante, c'est à dire avec une infinité de fréquences contenues dans un intervalle => L'ensemble des protons à l'intérieur de cet élement de volume vont basculer dans le plan transversal. On arrête l'irradiation et on observe la relaxation (= principe de la RMN) FID complexe ou composite = somme des FID de tous les protons contenus dans l'échantillon Le but de la spectroscopie RMN est de tirer de ce spectre RMN, l'identification de l'ensemble des protons présents dans l'échantillon initial. Cela est fait grâce à un opérateur mathématique : TDF = transformée de fournier

Elucidation de structures de molécules de synthèse et des molécules du vivant (métabolites, peptides, protéines) en matrice simple ou complexe.

2 - Notions de transformée de Fourrier La transformée de Fourrier est capable d'identifier et séparer l'ensemble des FID simples contenues dans la FID composite FID complexe = la somme de FID simples : la TF est capable d'extraire les deux FID simples

Analogie de l'oreille humaine : - identifie et sépare l'ensemble des fréquences contenues dans un signal complexe - elle permet de transformer la représentaiton sinusoidale en une représentation d'une amplitude en fonction d'une fréquence

Seulement un vecteur avec une amplitude et une fréquence bien particulière sin (5x) => C'est la fréquence qui change 2 sin (x) => C'est l'amplitude qui change : l'amplitude est de 2 fois plus Lors d'une FiD composite, on arrive à sélectionner 2 vecteurs d'intensité et de fréquence différente : c'est très intéressant quand on a un spectre très complexe. 3 - Notions de déplacement chimique

Plusieurs signaux dans le domaine des fréquences ? Décalage fréquentiel ou déplacement chimique Forme des signaux Couplage spin-spin On distingue des formes différentes : - singulet = 1 raie - triplet = 3 raies On explique cela par le couplage spin-spin On a vu qu'à tout courant électrique est associé un champ magnétique

Ces signaux sont répartis sur toute une gamme de fréquence L'intensité de ces signaux diffère les uns des autres => Fréquence chimique et décalage fréquentiel On associe un courant électrique à ce mouvement de l'électron autour du noyau => Champ magnétique induit (Bi) par le mouvement orbitalaire de l'électron. => Le spin nucléaire du proton, plongé dans B0, ne ressent pas le champ B0 mais le champ Be (champ effectif) : il faut retrancher le champ induit Bi. On peut exprimer Be en fonction de B0 et en remplaçant Bi par σi x B0. σi = constante d'écran.

La fréquence de résonance devient :

En fonction de la nature chimique du proton, sa fréquence de résonance (= fréquence de Larmor) va être différente. Be est fonction de la constance d'écran, c'est à dire fonction de la nature chimique de ce proton.

La fréquence de résonance est fonction de la constante d'écran (environnement électronique)

Si j'ai deux protons avec des environnements électroniques différents : A gauche on voit le champ électrique ressentie Si j'ai deux protons autour du noyau j'ai un champ induit plus important donc la fréquence de résonance sera plus faible. Plus la densité électronique est importante moins la fréquence est importante. Standardisation de l'unité de mesure Normalisation par rapport à une référence :

On standardise par l'ajout dans l'échantillon d'une référence interne : TMS (tétraméthylsilane) car c'est une molécule liquide, peu chère, non réactive, qui s'évapore et que l'on peut éliminer très facilement. Il possède des protons et donc des fréquences de résonance qui interfèrent très peu avec l'ensemble des protons qu'on trouve dans la nature.

Normalisation au champ magnétique statique Exemple : Un spectromètre à 7 teslas correspond à une fréquence de 300 MHz On rend les résultats non pas en fréquence mais en déplacement chimique exprimé en partie par millions (ppm) : les fréquences se déplacent dans le domaine des fréquences Déplacement chimique = décalage fréquentiel Le déplacement chimique d'un proton est caractéristique de son environnement chimique :

Densité électronique beaucoup plus faible à gauche qu'à droite => Fonction des groupes chimiques Un déplacement chimique de 0 ppm correspond au TMS

Table de déplacement chimique

Le 0 est à droite et les valeurs élevées de déplacement chimique sont à gauche, donc à droite on a les basses fréquences de résonance et à gauche les haute fréquence. Plus la fréquence de résonance va être élevée, c'est à dire plus le déplacement chimique sera important, plus l'environnement électrochimique autour du proton sera pauvre. Les protons des groupes alkyles résonnent à des fréquences relativement basses, mais dès que la densité électronique diminue, la fréquence de raisonnement augmente. Si on a un proton lié à un hétéroatome, la fréquence augmente encore (électronégativité de l'hétéroatome)

4 - Courbe d’intégration L'aire sous le signal est proportionnelle au nombre de protons résonnant à cette fréquence :

C'est la notion de densité de protons : plus j'ai de protons plus le VA est mportant, plus l'aire sous la courbe est grande.

Le déplacement chimique de 4 ppm correspond bien à une fréquence de résonance rapide, puisque l'oxygène va avoir tendance à diminuer la densité électronique des protons portés. Protons isochrones = protons équivalents = protons qui résonent à la même fréquence car ils

ont le même environnement chimique Les 3 protons du groupes CH3 sont isochrones : ils ont le meme environnement chimique. L'intensité du signal se traduit par l'aire sous la courbe de chacun des signaux Les deux protons de ce CH2 donnent un seul et même signal => Protons isochrones. Pareil pour les trois protons qui donnent un singulet. Les signaux n'ont pas tous la même forme.

5 - Couplage spin-spin Le couplage spin-spin est dû à l'interaction entre des noyaux proches Les protons sont sensibles aux spins des protons voisins

On prend le cas d'un proton isolé Ha : il ressent unchamp magnétifque effectif fonction B0, on aura un déplacement chimique On le place dans un autre environnement : A 3 liaisons on a un autre H : on voit comme ce Hb vient modifier le champ ressenti par Ha : Il ressent B0, le champ induit par la circulation d'électron et juste à coté Hb peut avoir 2 positions (parallele ou antiparallele). Si maintenant on passe à l'échelle macroscopique : le Ha aura 50% de protons en position parallèle et 50% en antiparallèle : le champ ressenti par Ha sera la somme du champ B0, Bi et la somme de champ voisin (qui sera soit ajouter soit retrancher) => Deux fréquences de résonnance légèrement différente : on obtient un doublet : il est séparé par une constante de couplage J. Le couplage spin spin résulte de la sensibilité des protons les uns par rapport aux autres Ha et Hb : Hb peut etre en parallèle ou en antiparallèle : le signal obtenu sera un doublet = deux raies de résonance différente : Doublet d'intensité 1-1 : La hauteur sous chacune des raies est équivalente.

On commence par considérer les 3 protons isochrones Hb : on trouve à côté d'eux 2 Ha (soit en parallèle soit en antiparallèle) : 3 combinaisons possibles car les Hb voient 2 Ha - Les 2 Ha sont en parallèles - Un parallèle, un antiparallèle - Les 2 Ha sont en antiparallèles => On obtient un triplet : forme bien particulière : 1-2-1 Si maintenant on considère les 2 Ha, isochrones : on trouve 3 Hb autour d'eux : les Ha voient 3 Hb : On obtient donc 4 possibilités d'orientation des spins Hb (partie haute de la diapo) => On obtient un quadruplet : 4 raies de résonance différent : 1 - 3 - 3 - 1

On peut généraliser ça avec le triangle de pascal = directement lié à l'oriention des spins nucléaires : m : Multiplicité de spin N : Le nombre de voisin à 3 liaisons m = N + 1 On revient sur l'exemple de l'acétate d'éthyle :

Si m vaut 1 => 0 voisin Exemple du C3H6O :

On a ici 3 signaux donc trois types de protons isochrones différents. En bas on trouve les déplacements chimiques, on a la forme des signaux et les intensités correspondantes

6 - Applications à la biologie médicale Recherche de marqueurs de pathologies dans un prélèvement biologique :

On se sert de ces outils pour faire une identification de composés issus, par exemple, d'extraction de végétaux. On peut aussi analyser des fluides complexes composés d'un grand nombre de molécules (par exemple : fluide biologique) : on peut en une seule analyse identifier un grand nombre de composé.

VI- Bases de l'imagerie par résonance magnétique : IRM 1 - Qu'est ce qu'une image - Une image est un ensemble de points (pixels représentatifs de l'apparence d'un objet construite à partir du rayonnement émis par cet objet) - Le champ de vue (FOV : Field Of View) est le plan de coupe constitué d'une matrice de p lignes et n colonnes

Résolution : n x p pixels Plus la matrice aura un nombre de colonnes et de lignes importants, plus la taille d'un pixel sera petite Résolution = nombre de pixels par unité de longueur Résolution = capacité de pouvoir séparer deux points d'une image Plus la résolution est importante, plus le nombre de pixels est important = plus le détail est important. On recherche la résolution la plus haute possible. Contraste : Différence d'intensité de signal détectable entre 2 points

Origine du contraste en IRM : - Densité de proton entre les tissus (20%) - Différence de temps de relaxation (jusqu'à 500%)

Plus l'intensité du signal est importante, plus le signal sera clair : on associe à chacune des intensités de signal un niveau de brillance du gris (Signal important = blanc, Signal faible = noir) : On parle d'hypersignal ou d'hyposignal. En IRM, un bon contraste est obtenu en se basant sur la différence de densité des protons des tissus : l'intensité du signal RMN détecté est fonction de la longueur du VA détecté. Entre 2 tissus qui ont un écart de densité de proton important, le contraste ne dépasse pas 20%, c'est pour cela que l'on s'intéresse aux différences de temps de relaxation Ces différences de temps de relaxation permettent de générer des contrastes de l'ordre de 500%. En IRM on s'intéresse à un seul type de proton (contrairement à la spectroscopie) : on s'intéresse de manière quasi exclusive aux protons de l'eau

2 - La séquence de base : ES (Echo de spin)

Herwin Hahn : séquence d'impulsions espacées dans le temps (écho de spin)

Ces inhomogénéité de champs statiques s'expliquent très facilement : quand on plonge le corps humain, le champ B0 n'est pas homogène partout Ces inhomogénéités génère un T2* Pour avoir accès au T2*, il faut avoir recours à une séquence impulsionelle : on réalise plusieurs impulsions successives dans le temps => Elimine les inhomogénéités de champ statique. L'objectif de l'écho de spin est de s'affranchir des inhomogénéités du champ principal B0 Pour cela on applique une première impulsion de 90° puis une seconde impulsion de 180° au bout d'un temps TE/2 (TE : temps d'écho). On parle de séquence d'impulsion. Le temps d'écho correspond au temps entre la première de 90° et la mesure du signal RMN

On parle de séquence : c'est la succession de 2 impulsions : une première de 90° et une seconde qui vient ensuite de 180° dans le plan transversale. On voit ensuite que cette séquence d'écho de spin est caractérisé par 2 temps : TE = Temps entre l'impulsion de 90° et la mesure du signal TR = Temps entre deux impulsions de 90°

On considère 2 protons ayant le même T2 = même constante de relaxation transversale T2

Comme ils sont soumis à un champ différents ils auront un T2 différent 1ere étape : en haut à gauche : impulsion de 90° : les deux spins nucléaires bascule dans le plan transversal et sont superposés. Ces deux spins nucléaires vont précesser à leur fréquence de Larmor (qui est différente) on va observer un déphasage lié aux inhomogénéités de champ. 2. En bas a gauche : Déphasage du aux inhomogénéité de B0 Le rapide sera en avance par rapport au lent => Déphasage des deux spins

On réalise une seconde impulsion de 180° qui permet de basculer complètement dans le plan transversal : c'est un effet miroir : Le spin rapide se retrouve en retard par rapport à l'autre. Le spin lent qui était en retard, est toujours lent, mais se retrouve maintenant en avance par rapport au spin rapide.

Au bout d'un certain temps (TE) ces deux spins reviennent en phase. 4 = Phase d'attente : le spin rapide rattrape le spin lent => Rephasage des spins 4. En bas à droite : MT a diminué en fonction de T2

A l'échelle du vecteur d'aimantation macroscopique : 1ere impulsion de 90° => Bascule dans le plan transversale et déphasage des spins nucléaires jusqu'à l'annulation de la composante transversale selon la courbe marron J'applique une seconde impulsion à 180° et j'observe ensuite la repousse de l'aimantation. Cette évolution est fonction de T2 : C'est caractéristique de l'environnement des protons et donc des tissus. 1. Bascule de 90° => Apparition d'un signal MT0 On associe l'impulsion à 180° au Temps d'Echo divisé par 2. TE = Temps auquel on prend la mesure du signal 4. On peut définir le Temps d'Echo : temps ou l'on va prendre la mesure du signal. C'est à ce moment là qu'on mesure le signal IRM.

Une séquence permet d'obtenir une ligne de la matrice image La séquence d'écho de spin est caractérisée par son TE et son TR

TR = Temps de répétition : temps laissé entre la première séquence et la deuxième séquence d'écho de spin. Ces deux temps permettent de définir les contrastes que l'on va obtenir sur l'image. Une séquence d'écho de spin va permettre d'acquérir une ligne d'une image : si on a une image 128 x 128 : il faudra donc 128 séquences pour remplir l'image.

A retenir : - Une séquence d'écho de spin correspond à une impulsion de 90° puis d'une impulsion de 180° - L'impulsion de 180° permet de s'affranchir des déphasages constants induits par B0 et permet d'accéder à la décroissance du signal en T2 - L'impulsion de 180° est appliquée au temps TE/2 - Le temps d'écho correspond au temps de mesure - Le temps de répétition correspond au temps de passage d'une ligne à une autre de la matrice image. Le TR correspond aussi au temps de repousse de l'aimantation longitudinale. Le TR définit le niveau de signal disponible.

3 - Contraste en T1, T2 et densité de protons

TE détermine le moment ou le signal est mesuré TR détermine le taux de repousse de ML = signal disponible.

La formule n'est pas à retenir : l'intensité du signal collecté est fonction de B0, de (rho) (densité de proton) et de 2 exponentielles fonctions de t1 et T2 : L'intensité de signal collecté est directement fonction des TE et TR : totalement opérateur dépendant.

3a. Influence du temps de répétition - contraste en T1

Considérons 2 tissus qui relaxe avec des T1 différents TR long : Faible contraste en T1 TR court : Fort contraste en T1

Utiliser un TR long ne permet pas de favoriser la distinction de 2 tissus ayant des T1 différent. En utilisant un TR court je favorise le contraste Le TR conditionne le contraste en T1 3b. Influence du temps d'écho - contraste en T2

Si je considère un TE court, on aura un faible contraste en T2 Si je veux distinguer les 2 tissus, je dois utiliser un TE long TE court = Faible contraste en T2 TE long = Fort contraste en T2 Le TE conditionne le contraste en T2 3c. Pondération en T1 Objectif : Favorise le constraste en T1

Pour le tissu rouge (rapide, T1 long) : niveau de brillance très important alors que pour un tissu lent avec un T1 court on aura un niveau de brillance beaucoup plus faible. Tout est court : TR court et TE court 3d. Pondération en T2 Objectif : favoriser le contraste T2

TR long = Temps sufisant pour que les 2 tissus aient relaxés Tout est long : TR long et TE long 3e. Pondération en densité de proton

Vert : tissu contenant un nombre de protons bien supérieur au nombre de proton des courbes rouges et vertes : utilse pour localiser des oedèmes. => TR long et TE court

TR long : tout le monde a le temps de se relaxer : signal beaucoup plus important pour le tissu vert qui a plus de protons, si j'applique un TE court : je conserve cette différence donc j'ai un hypersignal pour le tissu vert et un hyposignal pour les deux autres tissus. => Contraste lié à cette densité de proton majoritairement Type de contraste obtenu entre deux tissus en fonction de la pondération des séquences employées

Cela nécessite de connaitre les constantes T1 et T2 des différents tissus.

3f. Exemples de contraste en imagerie

Le choix de la pondération dépend du type d'examen que l'on veut faire.

A retenir : - Le TR correspond au temps de repousse de l'aimantation longitudinale et conditionne la pondération en T1 - Plus le TR est petit, plus l'image est pondérée en T1. Le tissu avec le T1 le plus court donne le signal le plus intense (= hypersignal). - Le TE détermine le moment de la mesure du signal et conditionne la pondération en T2. - Plus le TE est long, plus l'image est pondérée en T2. Le tissu avec le T2 le plus long donne le signal le plus intense (= hypersignal) - Une pondération en densité de proton est obtenue avec un TR long et un TE court.

4 - Localisation spatiale du signal Sélection du plan de coup : notions de gradient de champs

Pour localiser un signal dans l'espace en ligne IRM on utilise la notion de gradient de champ : Un gradient est l'évolution d'une valeur physique dans une autre dimension, quelle soit temporelle ou linéaire.

On a à gauche un gradient de température : Exemple d'une maison chauffée par le sol,...