1- Pratique : Codage par la fréquence

Bosc David, Le Mehaute Thibaud
31/01/11
Physique, IRM, Pr St James
Poly pas encore disponible sur le réseau plus scintigraphie
Imagerie par résonance magnétique :
principes et applications :
Rappels et réponses aux questions :
-Echo de spin :
Lors d’une impulsion à 180°, le système qui s’était « ouvert » bascule dans la
direction opposée. Les aimantations continuent à tourner dans le même sens. Ainsi, les
aimantations qui tournaient le plus vite et avaient donc parcouru le plus de chemin par rapport au
point de départ se retrouve à cette distance du point d’arrivée, alors que les aimantations les plus
lentes, qui avaient parcouru moins de chemin se retrouvent après avoir basculé beaucoup plus
proche du point d’arrivée
Les aimantations arrivent alors en même temps au point d’équilibre, elles sont donc en
phase. On peut faire une analogie avec des coureurs sur une piste. Au top départ, les coureurs
s’élancent. Au bout du temps t, les coureurs les plus rapides sont loins devant, les plus lents
trainent derrière. Si à ce moment on leur demande de tourner à 180° , les coureurs les plus lents se
retrouvent plus proche de la ligne de départ que les coureurs rapides. Au final, tous les coureurs
arrivent en même temps, ils sont en quelques sorte « en phase ».
Rephasage grâce à une impulsion de 180°, le synchronisme reviens à TE.
-Sur une piste on a deux aimantations dont une plus rapide que l’autre, à TE/2 elles font demi-tour,
à TE il y a refocalisation (signal maximum) des aimantations.
-déroulement d'une séquence d'écho de spin: seul TR a une influence, on observe une décroissance
de l'aimantation mais en réalité on a une décroissance rapide car il y a un déphasage, on n'a donc
pas accès à T2. Il faut alors ré-augmenter l'aimantation par une impulsion =180° à TE/2.
Pour simplifier TR agit sur T1 et TE permet de retrouver T2.
-Pour différencier les images d'IRM:
 En pondération T1 : les tissus ayant un temps de relaxation T1 long apparaissent
brillant, le LCR possède un T1 court donc apparaît sombre.
 En pondération T2 : inversement le LCR apparaît clair.
III- L’IRM : Principes de la localisation spatiale : (
suite )
1
B- Imagerie:
Procédé de localisation spatial? Comment change t'on les fréquences le long du patient?
-Idée 1: introduire un champs magnétique superposé à B0
Gradient G (de champ magnétique) = B/x
variation linéaire de quelques dizaines de mT/m (faible ordre de grandeur par
rapport à B0)
On introduit une relation linéaire entre la position et le champs magnétique
-Idée 2: lorsque le champ magnétique varie selon la direction x, la fréquence de résonance
(F=B0/2) des protons varie suivant leur localisation : par exemple d’un point X1 à un point X 2.
-Idée 3: Nous avons trois directions spatiales (x, y, z), il n'est pas difficile d'inventer trois gradients
et envisager une IRM tridimensionnelle
Gz = Bzz
Gx = Bz/x
Gy = Bz/y
On peut créer ces champs magnétiques pour regarder l’objet, on obtient des champs magnétiques
variables dans le temps et l’espace. Les trois gradients sont produits par trois jeux de bobines
parcourues par des courants relativement importants donc les bobinages sont souvent refroidis à
l’eau.
Cela reste un système statique le démarquant du scanner X qui possède des pièces mobiles.
1- Pratique : Codage par la fréquence :
D’un côté on met une belle escalope de veau dans l’aimant ! Puis on met B0 et une impulsion
radio-fréquence en route, de l’autre on a le même dispositif mais avec en plus un champ de
gradient magnétique variable le long de l’escalope : B0 + Gy
Après impulsion et mise en route du gradient le signal décroît rapidement en fonction du temps
tendis que sans le gradient il décroît lentement.
Suite à la transformation de Fourier on obtient deux profils ( projections ) de l’objet suivant la
perpendiculaire au gradient :

sans gradient : la courbe monte très haut, à la forme d’un gros pic. L’aire sous la
courbe (intégrale) est grande.

avec le gradient : la courbe a une forme de parabole, c’est la projection de l’escalope
sur l’axe y, de part et d’autre pas de protons donc pas de signal donc pas d’escalope.
2- Signal en absence ou en présence d’un gradient :
On prend des éléments de volume (bouts d’escalope) suivant l’axe Y :
2

Sans le gradient : les aimantations de chaque élément de volume ont la même
direction, le signal étant leur somme vectorielle est élevé.

En revanche avec le gradient magnétique les différentes aimantations n’ont pas la
même direction, elles tournent dans tous les sens, la somme vectorielle donc le
signal est plus faible et sa fréquence diminue rapidement.
3- Codage par la fréquence : champ de vue
Tobs = temps d’observation du signal.
On prélève des échantillons du signal ( typiquement des puissance de 2 : 100,200... ), on obtient N
points du signal séparés les un des autres par t.
Le champs de vue est égal au produit du nombre de prélèvements avec la résolution numérique.
FOV (m) = N x résolution
Quand on disperse les fréquences par un gradient on a :
F x FOV x t = 1
m
F x résolution numérique de l’image x Tobs = 1
m
z] x [m] x [s] = 1
[m]

F/m = gradient
Exemple : Quel gradient de lecture Gy appliquer pour obtenir un champ de vue de 20cm
avec t = 0.047 ms ?
4- Codage par la phase :
Répétition de l’expérience N fois. La présentation est sous forme d’une matrice et non plus d’une
colonne, donc le recueil d’information est fait suivant deux directions  2D on utilise une
transformation de Fourier 2D et on utilise Ny et Nz points.
Pour une matrice en 3D il faut Nx, Ny et Nz points donc il faut plus de temps car plus
d’informations à récolter.
IV- Parc IRM et coût :

Environ 550 appareils en France et 30 000 dans le monde

Coût d’un appareil à l’achat : 1 à 2 million d’euros
3
Antenne externe : 10 à 40 mille euros
Antenne à usage unique : 150 euros
Produit de contraste : 100 euros
Examen ( technique + médical ) : 300 euros
Une des applications récentes : l’imagerie fonctionnelle, on joue sur des temps de relaxation
différents ( Hb et oxyHb )
Stimulation ( comme regarder un damier vert et blanc )  activation neuronale augmente dans les
parties cérébrales stimulées  débit sanguin augmente  oxyHb augmente par rapport à Hb +
paramagnétique  T2* augmente  signal augmente de 1 à 10%
Conclusion :
RMN des tissus biologiques : contraste très important, méthode  inoffensive. Le champ
d’application continu de s’agrandir : flux sanguin, diffusion, eau/graisse, température...
IRM : localisation spatiale de l’information très efficace et souple ( gradients de champ
magnétique ), c’est une méthode originale par rapport aux autres techniques d’imagerie.
Donc deux aspects : localisation spatiale d’une part et contraste d’autre part.
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Imagerie scintigraphique par caméra TEP
I ) intérêt des émetteurs de positons
Il s’agit : - soit de nucléides existants dans la plupart des molécules biologiques (11C, 13N, 15O),
- soit d’halogènes (18F, 76Br) pouvant facilement être incorporés aux molécules sans
altérer leurs propriétés biologiques
Exemples d’émetteurs de positons :
Radioélément
Oxygène 15
Azote 13
Carbone 11
Fluor
18 est le fluor 18
Le plus utilisé
Energie Max (keV)
1 723
1 190
981
635
Périodes
2 min
10 min
20 min
110 min
Rappels physiques :
Les émetteurs de positons sont caractérisés par un excès de charge positive dans leurs
noyaux.
Ils se désintègrent vers un état stable par une transformation d’un proton en un neutron
qui
conduit à l’émission d’un neutrino et d’un positon.
P=> n + e+ + n
Celui-ci est de masse égale à celle d’un électron, mais de charge opposée
Une fois émis, le positon parcourt quelques mm dans les tissus durant lesquels il perd
toute
(ou presque) son énergie cinétique.
Quand le positon est pratiquement au repos, il interagit avec un électron du milieu : les deux
particules disparaissent en donnant naissance à l’émission de 2 photons gamma de 511
keV,
émis à 180° l’un de l’autre.
Radionucléide
Carbone 11
EbMax
(keV)
960
Période
(min)
20,4
Parcours
(mm)
3.9
5
Azote 13
Oxygène 15
Fluor 18
1200
1740
640
10
2
110
4.8
7.9
2.6
Avantages/Inconvénients.
• Avantages :
- Petits atomes, soit constituants de la matière, soit incorporables avec peu de modifications
structurales.
- La période est courte
=> entraîne une période effective courte et donc une dose délivrée correcte pour l’utilisation de
cette énergie.
• Inconvénients:
- Période courte : difficulté de production et d’utilisation.
- Coût de production élevé car fabrication par des accélérateurs de particules
II ) Détection des émetteurs de positons : Détection en
coïncidences
Le but est de détecter les deux photons de 511 keV émis simultanément à 180° l’un de l’autre.
Deux possibilités :
- Utilisation d’une caméra conventionnelle équipée d’un circuit de coïncidence:
=> Caméra TEDC (deux têtes de détection). Cette méthode n’est cependant
plus utilisée.
- Utilisation d’une caméra dédiée
=> Caméra TEP
Principe de la caméra TEP
Elle est basée sur :
- le principe de détection en coïncidence : grâce à une couronne de détecteurs où chaque
détecteur travaille avec celui situé en face à 180° sur le cercle.
- le principe de la tomographie d’émission pour la reconstruction des images.
Architecture particulière de la caméra :
- Plusieurs couronnes de détecteurs
- Absence de collimateur
- un ensemble électronique d’acquisition
- - -un
ensemble informatique
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III ) Principe de la coïncidence
Le circuit de coïncidence permet de localiser la réaction d’annihilation sur la ligne de coïncidence.
Propriété d’émission des photons à 180 degré l’un de l’autre.
Deux photons sont en coïncidence si ils sont détectés par le système dans un intervalle de temps
donné, appelé fenêtre de coïncidence (10^20 ns).
Les évènements (D) détectés incluent :
- des coïncidences vraies (T)
- des coïncidences diffusées (S)
- des coïncidences aléatoires (R
D=T+S+R
IV ) Les différents événements détectés
A ) Coïncidences vraies
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Evènements détectés simultanément sur les 2 détecteurs, issus de la même annihilation et
correspondant à des photons n’ayant subi aucune diffusion sur leur parcours
B ) Coïncidences diffusées
Evènements détectés simultanément sur les 2 détecteurs, issus de la même annihilation MAIS l’un
ou l’autre des photons a subi une déviation de trajectoire au sein du patient.
C ) Coïncidences aléatoires
Evènements détectés simultanément sur les 2 détecteurs, issus de 2 annihilations différentes.
Tous les types de coïncidences peuvent être acceptés par une paire de détecteurs.
Seules les coïncidences vraies sont importantes, il faut donc diminuer la contribution des
coïncidences diffusées et aléatoires.
V ) Rejet des événements indésirables
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A ) Rejet des coïncidences diffusées
Fenêtre en énergie réduite :
La discrimination des photons diffusés est d’autant plus efficace que le seuil de l’énergie maximale
des photons est élevé.
Fenêtre de coïncidence réduite:
La diffusion Compton augmente le parcours lumineux du photon et donc aussi la différence de
temps entre les impacts des deux photons sur les détecteurs.
Insertion de septa (joue le rôle d’un collimateur grâce à une lame de plomb placée sur le détecteur):
Pour limiter l’apport du diffusé des organes extérieurs au champ de vue ou d’autres plans
B ) Rejet des coïncidences fortuites
En diminuant la durée de la fenêtre de coïncidence:
La probabilité de compter deux évènements au hasard est d’autant plus grande que la durée de la
mesure est longue.
Par un calcul à posteriori sur deux types de mesures:
1) A partir du taux de comptage des évènements simples: Ns
Ns est proportionnel à la concentration radioactive vue par chaque détecteur
Le taux de comptage des coïncidences fortuites Nf:
Nf proportionnel Ns
2) à partir d’une deuxième fenêtre de comptage qui est démarrée après la fin de la
première.
Les photons n’ont physiquement plus le temps d’arriver en coïncidence sur les détecteurs après la
fin de la première fenêtre, tout ce qui est mesuré pendant ce temps est donc constitué par des
coïncidences fortuites.
Cette fenêtre décalée est 3 fois plus longue que la fenêtre de coïncidence.
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VII) Collimation électronique
Le détecteur reçoit tous les photons dont la trajectoire passe par son plan et non plus seulement
ceux qui ont une direction perpendiculaire à sa surface, ce qui augmente la sensibilité de détection.
Avec
sans
Le
circuit de coïncidence permet d’obtenir la
collimation dans le plan de coupe.
Ce circuit se compose :
- de cristaux disposés à 180° et qui fonctionnent ensemble
- d’une fenêtre temporelle
- et de la fenêtre spectrométrique.
Collimation en TEP dédiée
Collimation inter-coupe:
Couronne de détecteur
1er schéma : Une couronne de détecteurs, vue axiale avec un septa inter plan
2ème schéma : Une couronne de détecteurs, vue axiale sans septa inter plan
- Quand il y a présence de septa: mode 2D
- Quand c’est des septa rétractés: mode 3D
Il faut noter que le mode 3D entraîne un gain important en sensibilité (de 3 à 5), mais il y a
malheureusement une augmentation des coïncidences fortuites et diffusées…
=> Des méthodes de correction poussées sont alors nécessaires.
VIII) Formation des images : Localisation de l’annihilation
sur la ligne de coïncidence
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L’information recueillie par 2 détecteurs en coïncidence représente une direction indiquant le lieu
géométrique de l’annihilation : Nous savons que quelque part sur la LOR, il y a eu une
annihilation, mais nous ne savons pas où….
2 Méthodes:
Reconstruction Tomographique
Temps de vol
Temps de vol : Information temps de vol introduite dans la reconstruction :
Cette localisation se fait grâce à la mesure de la différence des temps d’arrivée des deux photons
sur les détecteurs. Cette mesure est appelée la mesure du temps de vol. On aura une reconstruction
moins bruitée, mais il faut avoir un cristal rapide…car besoin d’une précision sur la mesure du
temps de vol de l’ordre de 60 ps.
IX) Quantification : le SUV
Mesure semi-quantitative de la fixation du traceur, ex du18F-FDG
• But :
– Affiner la distinction entre fixation de type bénigne et maligne (valeur supérieure 2.5 à 3) (aide
au diagnostic de malignité).
– Facteur pronostic pour certaines études.
– Permettre le suivi quantitatif de la fixation d’une lésion maligne en cours de traitement médical
comme la chimiothérapie (évaluation précoce après une ou 2 cures de l’efficacité).
Problèmes liés à la mesure:
• Nécessité d’un facteur de qualibration
• Moment de la réalisation de la mesure
• Densité des tissus identiques et égale à 1
• Correction du poids maigre, de la surface, de la glycémie
• Reproductibilité de la mesure
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CONCLUSION : CE QU’IL FAUT RETENIR.
• Intérêt des émetteurs de Positons
• Principe de la coïncidence
• Les différents événements détectés
– Coïncidences vraies
– Coïncidences fortuites
– Coïncidences diffusées
• Rejet des événements indésirables
• Collimation électronique
• Correction des phénomènes physiques
• Quantification : le SUV
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