L’Imagerie par Résonance Magnétique Historique I. Résonance Magnétique Nucléaire II. Relaxation et signal RMN III. Formation de l’image IV. Contraste et interprétation des images V. Applications de recherche Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Historique de la Résonance Magnétique Nucléaire • 1933 : Stern et al. découvrent que le proton a un moment magnétique . • 1938 : Rabi met en évidence l’interaction d’ondes électromagnétiques et des noyaux sur des faisceaux d’atomes. Création du terme “Résonance Magnétique Nucléaire” • 1946 : Description de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) sur des échantillons d’eau ou de paraffine, indépendamment par F. Bloch (Côte ouest) et E. Purcell (Côte Est). Prix Nobel en 1952 • 1950 : Proctor et Yu découvrent le décalage de fréquence en fonction de l’environnement moléculaire. La RMN devient un outil de chimie analytique. Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun 2000 : Spectromètre RMN 900 MHz (21 T) Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Historique de la Résonance Magnétique Nucléaire • 1933 : Stern et al. découvrent que le proton a un moment magnétique . • 1938 : Rabi met en évidence l’interaction d’ondes électromagnétiques et des noyaux sur des faisceaux d’atomes. Création du terme “Résonance Magnétique Nucléaire” • 1946 : Description de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) sur des échantillons d’eau ou de paraffine, indépendamment par F. Bloch (Côte ouest) et E. Purcell (Côte Est). Prix Nobel en 1952 • 1950 : Proctor et Yu découvrent le décalage de fréquence en fonction de l’environnement moléculaire. La RMN devient un outil de chimie analytique. • 1971 : Damadian propose d’utiliser la RMN en Médecine pour différencier les tumeurs malignes des tumeurs bénignes Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun 1973 : Première image (P.C. Lauterbur, Nature) Prix Nobel de Médecine 2003 Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun 1977 : Premières images humaines : doigt Mansfield et al. Br. J. Radio., 1977, Prix Nobel de Médecine 2003 Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun 1979 : Premières images en multiples incidences : Moore et al. Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun 1983 : Premières Images à 1,5 teslas (General Electric) Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun L’Imagerie par Résonance Magnétique Historique I. Résonance Magnétique Nucléaire II. Relaxation et signal RMN III. Formation de l’image IV. Contraste et interprétation des images V. Applications de recherche Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Résonance Magnétique Nucléaire = Mb Mc = i Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Mi J. Bittoun Origines Atomiques du Magnétisme dans la matière µ N = γh I µe + + Magnétisme Electronique Magnétisme Nucléaire Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Orbitales moléculaires : diamagnétisme de l’Hydrogène H2 - Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Aimantation macroscopique des tissus biologiques Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Aimantation macroscopique des tissus biologiques Bo Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Mo = ρ.χ χ .Βο .Βο J. Bittoun Champ Magnétique : Unités 1 tesla (T) = 10 000 gauss (G) Champ magnétique terrestre : BT ≈ 0.5 G 1 tesla ≈ 20 000 BT Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Aimant Permanent : Bo ≤ 0,35 T Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Aimant résistif : Bo ≤ 0,40 T Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Aimant Supraconducteur : Bo ≥ 0,40 T (Clinique : Bo ≤ 2 T) Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Résonance Magnétique Nucléaire γ .B f0 = 0 2π Bo γH ≈ 42,58MHz / T 2π Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun L’angle de basculement γH 2π γ f0= .B 0 2 π Bo 30° = 42 ,58 MHz / T Bo Bo 90° 180° Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun L’Imagerie par Résonance Magnétique Historique I. Résonance Magnétique Nucléaire II. Relaxation et signal RMN III. Formation de l’image IV. Contraste et interprétation des images V. Applications de recherche Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Précession Libre et Relaxation γ .B f0 = 0 2π Bo γH ≈ 42,58MHz / T 2π Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Composantes de l’aimantation Bo z Mz(t) M(t) y x Mxy(t) Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Relaxation MZ M Z (t) = M 0 .(1 - - t e T1) M0 90° t M xy (t) = M 0 . e - t T2 Mxy Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Relaxation Longitudinale et T1 Mz [M 0 − M Z ( t )] = [M 0 − M Z ( 0 )].e Mo 0.86 − 0.95 t T1 0.98 0.63 T1 2.T1 Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN 3.T1 t 4.T1 J. Bittoun Relaxation Transversale et T2 Mxy M xy ( t ) = M xy ( 0 ).e − t T2 0.37 0.14 T2 2.T2 Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN 0.05 3.T2 0.02 4.T2 t J. Bittoun Variation of Relaxation Times in Water T1 Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN T2 3s 3s 2s 2s 1s 1s 0 0 J. Bittoun Ordres de Grandeurs des Temps de Relaxation à 1,5 T Temps de Relaxation Tissus Humains Liquide Céphalo-rachidien T1 T2 2500 ms 2000 ms Substance Grise 900 ms 90 ms Substance Blanche 750 ms 80 ms Graisse 300 ms 40 ms Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Retour à l’Equilibre de l’Aimantation Nucléaire z B0 y x Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Relaxation et Signal RMN I. Retour à l’Equilibre de l’Aimantation •La précession libre •Les composantes de l’aimantation •Relaxation longitudinale et T1 •Relaxation transversale et T2 •Valeurs typiques •Retour de l’aimantation totale II. Le Signal et la Mesure des Paramètres •Notion de Courant Induit •Le Signal de Précession Libre et ses Paramètres •La Transformation de Fourier et ses Paramètres •Définition de T2 et T2*, Echo de Spins •Mesure de T1 Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Notion de Courant Induit S N Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Notion de Courant Induit Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Signal de Précession Libre ou Free Induction Decay : FID z Mz(t) M(t) y x Mxy(t) Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Antenne Solénoïde Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Antenne tête en cage d’oiseau Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Antenne tête Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Antennes de surface (prototypes) Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Le Signal de Résonance (FID = Free Induction Decay) S(t) S(t) = So.e-t/T2. cos (2π.f0 t +ϕ ) t Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Le Signal et sa Transformée de Fourier FT fo t S(t) = So.e . cos (2π.f0 t +ϕ ) -t/T2 S(f) ∝ Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN f T2 1+4π Τ (f-fo) 2 2 2 J. Bittoun Paramètres de la Transformée de Fourier du Signal So 1 T2 fo Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Intérêt de la Transformation de Fourier FT t Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN fo f1 J. Bittoun f Le Signal de Résonance (FID) S(t) S(t) = So.e-t/T2. cos (2π.f0 t +ϕ ) t Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun L’Imagerie par Résonance Magnétique Historique I. Résonance Magnétique Nucléaire II. Relaxation et signal RMN III. Formation de l’image IV. Contraste et interprétation des images V. Applications de recherche Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun La formation de l’image en IRM I. Principes de localisation du signal •Signification de l’image en IRM •Localisation des phénomènes ondulatoires •Principe de localisation par la fréquence •Notion de gradient de champ magnétique •Composition des gradients II. Méthodes de discrimination spatiale •Excitation sélective •Codage par la fréquence •Reconstruction par projection multiples •Codage par la phase Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) 10011 Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Localisation par la Distance Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Localisation par la distance: cas de sources proches Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Localisation par la fréquence Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Gradient de Champ Magnétique B(x)=Gx × x B(x)=B0 x B(x)=B0 + Gx × x x x Gx ≈ 10 mT/m Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Gradients de Champ Magnétique ∂B Z G z= ∂z z ∂B Z G y= ∂y ∂B Z G = x ∂x x y Bo Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Bobines de gradient Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Gradients de 23mT/m en 180µs ; tunnel 60cm Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Aimant de 1,5 T Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Bobines de Gradient et de Radiofréquence Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Composition vectorielle des gradients de champ magnétique Gz Gr Gx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Séquence d’acquisition IRM (0) (1) (2) RF Gz Gy Gx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun La formation de l’image en IRM I. Principes de localisation du signal •Signification de l’image en IRM •Localisation des phénomènes ondulatoires •Principe de localisation par la fréquence •Notion de gradient de champ magnétique •Composition des gradients II. Méthodes de discrimination spatiale •Excitation sélective •Codage par la fréquence •Reconstruction par projection multiples •Codage par la phase Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Selective excitation: principle Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Selective excitation: principle Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Excitation sélective en IRM Distance t n e i ad r G Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Fréquence J. Bittoun Codage par la Fréquence TF Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Codage par la fréquence en IRM B(x) =B0 + Gx × x S(t) Acq on i t i uis x Time F T S(f) f(x) = γ .(B0 + Gx × x) 2π Frequency Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Acquisition de multiples projections Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Reconstruction par rétroprojection Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun 1973 : Première image (P.C. Lauterbur, Nature) Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Déphasage des aimantations en présence d’un gradient Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Déroulement du codage par la fréquence Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Déroulement du codage par la fréquence Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Vue générique des méthodes de codage time TF fréquence Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Principe du codage par la fréquence RM Objet TF Signal Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Image J. Bittoun Principe de l’imagerie par TF2D RM TF(lignes) Co ( F lo es) n n T Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Séquence d’acquisition en IRM : chronogramme (0) (1) (2) RF Gz Gy Gx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Conséquence de la réversibilité de la TF en IRM B(x) =B0 + Gx × x S(t) Acq on i t i uis x Temps TF TF S(f) f(x) = γ .(B0 + Gx × x) 2π Fréquence Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Théorie (et pratique) du plan de Fourier 1. La physique derrière la transformation de Fourier (TF) 2. Définition et propriétés de la TF 3. Notion Notion de de fréquence fréquence spatiale spatiale 4. Règles de balayage du plan de Fourier 5. Un exemple : la séquence d’écho de spin Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Notion de fréquence spatiale Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Haute et basse fréquence spatiale x Amplitude kx x Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Haute ou basse fréquence spatiale ? y x Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Définition du plan de Fourier Amplitude ky kx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Plan de Fourier et image Ant. ky L R kx Post. Espace réel Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Plan de Fourier J. Bittoun Plan de Fourier et image ky Ant. L kx R Post. Plan de Fourier Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Espace réel J. Bittoun Sélection des 32x32 points centraux du plan de Fourier et image correspondante Plan de Fourier Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Espace réel J. Bittoun Sélection des 16x16 points centraux du plan de Fourier et image correspondante : basses fréquences spatiales Plan de Fourier Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Espace réel J. Bittoun Annulation des 16x16 points centraux du plan de Fourier et image correspondante : hautes fréquences spatiales Plan de Fourier Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Espace réel J. Bittoun Plan de Fourier et image Espace réel Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN Plan de Fourier J. Bittoun Balayage du plan de Fourier ky kx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Théorie (et pratique) du plan de Fourier 1. La physique derrière la transformation de Fourier (TF) 2. Définition et propriétés de la TF 3. Notion de fréquence spatiale 4. Règles de balayage du plan de Fourier Règles de balayage du plan de Fourier 5. Un exemple : la séquence d’écho de spin Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Signal d’un élément de longueur infinitésimal B (x)= G x.x dM = M(x) . dx x dS ∝ dM . e jω (x )t = M(x) .e jγ.Gx .x t . dx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Signal d’un objet linéaire k k G t x=γ. x. x=γ. G x t t +∞ dS ∝ S(t) = objet M(x) .e j kx .x . dx -∞ Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Signal d’un élément de volume linéaire d’une tranche y x +∞ dS(y) ∝ M(x, y) .e j (k x .x + k y .y ). dx -∞ Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Signal d’une tranche ky kx +∞ k x = γ .Gx .t k y = γ .G y .t +∞ S(tx,ty ) ∝ M(x, y) .e j (kx .x -∞ + k y .y ). dx . dy -∞ Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun P.1) L’impulsion d’excitation > Centre du plan de Fourier k x = γ .Gx .t k y = γ .G y .t ky kx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun G.1) La vitesse dans la direction kx est proportionnelle à Gx k x = γ .Gx .t -Gx +Gx ky kx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun G.2) La vitesse dans la direction ky est proportionnelle à Gy k = γ .G .t y +Gy y -Gy ky kx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun P.2)L’impulsion 180° «téléporte» en un point symétrique k x k y 180° − k x − k y ky kx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Evolution des systèmes de gradient 1985 : 10 mT/m 500 µs 20 mT/m/ms 1995 : 25 mT/m 250 µs 100 mT/m/ms Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN 2000 : 40 mT/m 400 µs 100 mT/m/ms J. Bittoun Théorie (et pratique) du plan de Fourier 1. Sens physique de la transformation de Fourier (TF) 2. Définition et propriétés de la TF 3. Notion de fréquence spatiale 4. Les règles de balayage du plan de Fourier 5. Un exemple : la séquence d’écho de spin 5. Un exemple : la séquence d’écho de spin Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Trajectoire du spin-echo ky (3) (4) (0) (1) Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN kx (2) J. Bittoun Correspondance entre plan de Fourier et chronogramme ky (3) (0) (4) kx (0) (1) (2) (3) (4) RF (1) (2) Gz Gy Gx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Trajectoire spirale ky ky kx RF Gz Gy kx Gx Signal Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Tracer la séquence RARE (TSE, FSE...) à partir de la trajectoire k y kx RF Gz Gy Gx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Tracer la trajectoire à partir du chronogramme de l’EG k (0) RF (1) (2) y (1) (2) Gz (0) kx Gy Gx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Séquence d’acquisition 3D ky (3) (0) kz (4) kx (0) (1) (2) (3) (4) RF (1) (2) Gz Gy Gx Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun Extension 3D du formalisme de Fourier Cours DES de Radiologie 1)Bases de la RMN J. Bittoun
