1/15 12/01/2015 MARANDEL Marina L2 CR : Julie Chapon
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BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. 12/01/2015 MARANDEL Marina CR : Julie Chapon BTIME M. PANUEL hm.fr 16 pages Imagerie par Magnétique Connaissances de Plan L2 A. Introduction I. Arsenal d'imagerie diagnostique michel.panuel@apII. En pratique B. Le proton C. Le champ magnétique D. Le phénomène de résonance E. La relaxation des protons Résonance F. L'écho Nucléaire. G. Formation de l'image base. H. Séquence de base I. Séquence en écho de spin II. Séquence en écho de gradient III.Séquence avec suppression du signal de la graisse IV. Séquence avec suppression du signal de l'eau I. Gadolinium J. Autres séquences I. Séquence de flux II. Séquence de diffusion III.Spectro-IRM 1H K. Artefacts L. Contre-indications de l'examen IRM M. Précautions et contraintes de réalisation N. Principales indications A. Introduction I. Arsenal d'imagerie diagnostique Ultrasons → Échographie Rayons X → Radio standard et Scanner IRM → pas de radiation ionisante Imagerie par émission (scintigraphie, TEP) → Médecine nucléaire Il existe un mouvement qui pousse à remplacer l'imagerie par rayons X avec l'IRM mais ils sont encore beaucoup utilisés. Il existe de très nombreuses applications cliniques de tous les moyens d'imagerie. En pratique pour faire une IRM on a besoin : – de protons – d'un aimant puissant – d'ondes de radio-fréquence - antennes – d'un calculateur hyper performant. 1/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. II. En pratique 1.Demande d'examen 2.Validation de l'indication 3.Préparation du patient + précautions 4.Réalisation de l'examen 5.Choix de séquences selon l'indication 6.Traitement des images 7.Lecture des images 8.Interprétation 9.Apport diagnostic B. Le proton C'est le noyau de l'atome d’hydrogène, il est très abondant dans le corps humain. Il possède trois propriétés pour l'IRM : – Tourne sur lui-même (particule chargée +) : il a un moment magnétique angulaire de spin (qui tourne selon une certaine vitesse dans un certain axe) CR : l'axe = le moment. – Précesse comme une toupie, ou comme la terre autour du soleil, est à dire qu'il tourne autour d'un axe. – Présente deux niveaux d’énergie : de basse et de haute énergie . A l’équilibre : niveau de basse énergie > niveau de haute énergie mais le delta est relativement faible . Aimantation parallèle – aimantation anti parallèle selon les protons (sens différent) . S'il y a une excitation : un certain nombre de protons de basse énergie passent au niveau de haute énergie → ce sont ces protons qui sont utilisés en IRM. CR : quand ils redescendront de leur couche électronique, l'énergie émise sera enregistrée. C. Le champ magnétique Il est puissant et homogène (= tous soumis au même champ magnétique) – 1,5 a 3 Tesla (7 T en recherche) – Plus de 30 000 fois le champ magnétique terrestre (50 000 microTesla ; 1T = 10 000G) Les spins des protons s'alignent (+/-) selon B0 (axe du champ magnétique, lire B zéro) et ils conservent leur précession (alignement des moments). On est dans une situation stable : soit en position de haute ou basse énergie. Attention : il n'y a pas que les protons qui se mettent dans l'axe de B0 ! Exemple d'un lit de réanimation qui est attiré par le machine d'IRM. Penser au marteau réflexe, ciseaux, stéthoscope,... dans la poche, si on oublie les objets, ils vont être attirés à une vitesse considérable, et ça peut-être très dangereux. → Ceci est un argument supplémentaire en faveur de la précaution. D. Le phénomène de résonance La résonance c'est le transfert d’énergie entre deux systèmes oscillants à la même fréquence. Exemple : – la cadence du pas d'un groupe de soldats et l'oscillation du pont qu'ils traversent : peut entraîner la rupture du pont 2/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. – la Castafiore (je ne sais pas comment sa s'écrit mais vous avez compris ^^ ; CR : il manquant juste la majuscule;) ) selon la fréquence qu'elle envoie peut casser un verre L'excitation des protons pour entrer en résonance se fait par une onde de radio-fréquence (RF) dont la fréquence correspond a la fréquence de précession ou fréquence de Larmor (63,8 MHz pour B0= 1,5T). Les protons excités subissent deux phénomènes : – Une mise en phase de tous les protons qui précessent uniformément – Un passage +/- important à un niveau de haute énergie (c'est fonction de B0 et de l’intensité de la RF) Rq : pas de questions sur les données numériques. E. La relaxation des protons C'est le retour à l’équilibre. Les protons qu'on avait mis en phase se déphasent. A l’arrêt de l'impulsion de RF le système revient à l’équilibre : déphasage des protons, en fonction des interactions entre eux. C'est ce qui donne le signal recueilli en IRM. Graphiquement représenté par une courbe exponentielle décroissante : → Le temps de relaxation T2 correspond au temps nécessaire au déphasage de 63% des protons, temps de relaxation transversale. Le retour à l'aimantation longitudinale initiale est fonction des interactions des protons avec le milieu environnant (l'eau, os, …). Graphiquement représenté par une courbe exponentielle ascendante : → Le temps de relaxation T1 correspond au temps nécessaire a la récupération de 63% de l'aimantation à l’équilibre, temps de relaxation longitudinale. T1 > T2 par un facteur 10 Dans la graisse, le réseau est serré par conséquent le temps de relaxation T1 est très court. CR : le retour à l'équilibre est rapide. → le signal sera élevé en ≪ T1 ≫ Dans l'eau, le réseau est moins serré : – le temps de relaxation T1 est long 3/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. – le déphasage est alors plus long (le temps de relaxation T2 est plus long) → le signal est faible en ≪ T1 ≫ et élevé en ≪ T2 ≫. Tableau pas à apprendre juste pour comprendre (N(H) = densité des protons.) Rq : – – – Il y a moins de graisse dans la substance grise que dans la substance blanche (donc en T1 la substance grise est plus grise que la substance blanche). LCR = eau (donc blanc en T2) CR : s'il y a beaucoup de protons, le signal sera important comme c'est le cas dans le SNC ; à l'inverse dans l'os il y a peu de protons, il sera donc noir en séquence T1 ou T2 (signal faible). F. L'écho En IRM le signal est tellement faible que quand on l'enregistre on a besoin d'un artefact physique. L’écho est un phénomène indispensable à l'IRM, c'est l'amplification du signal. Le signal T2 recueilli par l'antenne est appelé FID (Free Induction Decay = décroissance de l'induction libre), il est difficile à enregistrer (car il est très faible). De plus, il s'agit en fait d'un signal encore plus faible appelé T2* : T2* = T2 + inhomogénéités de champ (dues à la présence de particules dans le milieu par exemple) Pour améliorer le signal, on réalise un écho du premier signal avec remise des spins en phase (ou plusieurs échos selon séquences). Le choix du temps d’écho influence l'image : un TE long objective mieux les différences de T2 (différences = contraste → enrichi l'information) Si on a deux tissus qui ont des T2 différents, mais le T2 court on ne verra pas ces différences. Deux grandes familles de séquences pour recueillir le signal : – Écho de spin – Écho de gradient G. Formation de l'image La dimension du volume que l'on veut explorer est appelée Champ de Vue ou FOV (Field Of View). Ce volume est arbitrairement divisé en unités de volume élémentaires : voxels – – Le nombre de voxels par volume définit la matrice Plus le voxel est petit plus l'image est fine mais moins il y a de signal 4/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. – Le codage des voxels dans les trois directions de l'espace se fait par l'utilisation de gradients de champ. On utilise des bobines dans lesquelles on fait passer un courant afin de modifier localement le champ B0 pour créer un gradient. La fréquence de Larmor est ainsi modifiée. CR : on peut dire que le voxel est l'équivalent du pixel, mais en 3D. Si l'on applique un gradient de fréquence dans une direction donnée, dans chaque voxel les protons vont précesser à une fréquence légèrement différente mais en phase. Si on applique un gradient de phase dans une autre direction perpendiculaire, dans chaque voxel les protons précessent à une même fréquence mais sont déphasés par rapport aux voisins. → Donc il y a codage ≪ spatio-temporel ≫ par la phase et la fréquence. En réalité pour former une image c'est plus compliqué que ça : – L'ensemble des données brutes du recueil de signal constitue l'espace K – Le décodage par plusieurs transformées de Fourier (analyse le contenu fréquentiel d'un signal) permet de constituer une image où chaque point élémentaire (pixel) représente grossièrement le signal en un point donné. On part d'un volume avec des voxels : des unités de volume qui ont une certaine fréquence ; elle va être mise sur une échelle de gris par exemple, et le gris est transformé en une unité d'image (pixel). – Le contraste entre deux structures voisines permet de les différencier. Les liquides sont blancs en pondération T2. H. Séquence de base et pondération de l'image (pondération = paramètre favorisé) I. Séquence en écho de spin A 180° : c'est l’écho de spin 5/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. Une séquence en écho de spin se caractérise par deux paramètres, ils sont des éléments déterminants du contraste en écho de spin : – Le TE c'est le temps d’écho : le double du temps auquel j'envoie l'impulsion de 180°. C'est le moment où on enregistre le signal. – Le TR c'est le temps de répétition où on va recommencer l'impulsion Ici la première courbe montre la décroissance T2, le déphasage (selon plan XY). La deuxième montre la remontée de l'aimantation, c'est le T1 : retour à l'équilibre (selon l'axe Z). → Retenir TE/T2 (ça rime) CR : le TE et le TR sont des paramètres de séquence écho de spin déterminants pour le contraste. a. Paramètres pour une pondération T1 : TE court : pour éliminer T2 Un TE court ne va pas favoriser une différence en T2 (les courbes sont superposées). TR court ou intermédiaire (<600ms) pour conserver les différences en T1 : – Si TR est trop long, il n'y aura plus de différences – Si TR trop court il n'y aura pas de signal b. Paramètres pour une pondération T2 : TE relativement long : effet T2 maximal TR long : suffisamment long pour ne plus avoir l'effet T1 c. Paramètres pour une pondération en densité de protons (DP) : TE court : effet T2 minimal TR long : effet T1 minimal Sur ces images en DP, plus il y a de protons et plus le signal est fort : 6/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. Le LCR (=eau) : – toujours blanc en séquence pondérée en T2 – toujours noir en séquence pondérée T1 La substance blanche contient beaucoup de myéline donc beaucoup de graisse : blanche en T1. Le calcium des os et l'air apparaissent noirs car ils ne donnent pas de signal : les protons sont tellement piégés qu'ils ne peuvent pas bouger. Si on compare avec un scanner X, l'os est blanc car il absorbe beaucoup les RX. Rq : La calcification au milieu de l'image correspond à la glande pinéale et non à de l'os. II. Séquence écho de gradient L'impulsion à 180° de la séquence en écho de spin (ES) est remplacée par l'inversion de la polarité d'un gradient (EG). L'impulsion initiale de 90° en ES est remplacée par un angle de bascule variable (angle α). La valeur de l'angle α détermine plus que le TE et le TR le contraste de l'image. Le TE et le TR sont plus courts qu'en ES → Séquences en EG plus courtes CR : utile pour les patients instables, claustrophobes et rentable car on peut passer plus de patients dans une journée. Pour remplir le volume que je veux explorer il faut remplir les lignes et colonnes. Si le T1 est plus court, alors la durée globale (n excitations) va être plus courte également. Par exemple : ES 3 minutes / EG 20 secondes. C'est très intéressant pour les analyses en apnée. L'angle de bascule, le TE et le TR sont des éléments déterminants du contraste en écho de gradient et l'angle de bascule a plus d'importance que les autres. Exemple : A droite et au milieu : séquence T2. 7/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. A gauche : séquence T1. Dans ces images la pondération et le contraste sont variables. Dans les deux images à droite on remarque des éléments supplémentaires sans signal, ce sont des zones où il y a eu dégradation de l’hémoglobine (fer plus ou moins libre). CR : en effet les produits de dégradation de l'hémoglobine modifient le signal des séquences en pondération T2*. Cela permet de repérer des hématomes anciens (le fer a été libéré). Par contre la séquence écho de gradient ne permet pas d'étudier les muscles. La pondération et le contraste sont variables. En EG, il s'agit plus d'une pondération T2* que T2. Les produits de dégradation de l’hémoglobine modifient le signal des séquences en pondération T2*. Quelque soit la pondération, la corticale osseuse sera toujours noire. III. Séquences avec suppression du signal de la graisse Saturation sélective de la fréquence de la graisse car tous les protons de la graisse ont une fréquence caractéristique. C'est un « FatSat » en langage clinique. CR : c'est utile car le signal élevé de la graisse peut cacher des éléments plus petits comme des métastases par exemple. Principe de l'inversion-récupération : – inclinaison à 180º – puis remontée de l'aimantation Dans cette séquence le 180º est fait à un certain moment, là où les protons de la graisse sont à zéro. L'impulsion de 180° pour recueillir l’écho se fait après un temps, le temps d'inversion (TI), correspondant au temps où la composante liée à la graisse est nulle. C'est une séquence STIR : très utile pour la détection d’œdème, infection, tumeur, contusion... C'est très utilisé en ostéo-articulaire. STIR = Short T Inversion Recovery CR : Sur le troisième rachis ci-dessus, on remarque que la graisse est noire : séquence STIR. 8/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. Saturation sélective de la fréquence de la graisse plus injection intraveineuse de sels de gadolinium sur séquence en pondération T1. Exemple : si on fait une séquence de saturation en graisse plus injection de gadolinium (un modificateur de comportement magnétique) on va voir les zones qui sont richement vascularisées : le gadolinium raccourcit le T1 donc augmente le signal en T1. Ici la synovie est très inflammatoire. Les zones en hyper signal correspondent aux zones fortement vascularisées : infection, tumeur, inflammation... IV. Séquence avec suppression du signal de l'eau Principe de l'inversion- récupération : au temps n les protons de l'eau sont à 0, à ce moment là on envoie l’écho à 180°. On a alors une suppression du signal de l'eau. La séquence FLAIR efface l’hyper signal T2 du LCR. C'est indispensable pour rechercher les lésions de la substance blanche (on majore le contraste). Ex : pour la sclérose en plaque FlAIR = Fluid Attenuation Inversion Recovery I. Gadolinium (important +++) C'est un « Produit de contraste » IRM utilisé en routine par voie IV (jamais intra-thécale) sous forme de chélate (coque inerte) en raison de sa toxicité. Il modifie le comportement magnétique de l'environnement dans lequel il se trouve. Il entraîne un raccourcissement du T1 donc un hyper signal en pondération T1 aux doses habituelles (0,2 ml/kg de poids). Son action est insignifiante sur le T2 aux doses habituelles. Il est utilisé pour l'imagerie vasculaire, l'étude des parenchymes (lésions focales, inflammation...), l’étude de la fonction rénale (Uro-IRM fonctionnelle) 9/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. Contre-indications <3 : – allergie aux chélates pas aux gadolinium – insuffisance rénale sévère ou modérée (clairance < 60 ml/min) – grossesse (par précaution) Acquisitions dynamiques en EG avec Gd a 0s, 30s, 60s, 3min Gadolinium : 1. temps cortical (cortex très vascularisé par rapport à la médullaire) 2. temps parenchymateux 3. temps tardif : élimination par les reins On peut avoir un hyper signal sans Gadolinium dans le liquide statique : on voit le LCR, l'urine, le liquide dans les articulations. J. Autres séquences I. Séquences de flux – imagerie vasculaire a. Méthode sans injection de produit de contraste Contraste de phase : utilise le déphasage plus rapide des protons circulants Temps de vol +++ : (TOF- time of flight) utilise le phénomène d’entrée dans le plan de coupe de protons non saturés. → Ces méthodes sont sensibles aux turbulences et ne quantifient pas les sténoses. De plus elles sont longues (4 min). b. Méthodes avec injection de produit de contraste (écho de gradient) Si l'on abaisse le TR et le TE en EG, les tissus ne donnent pas de signal. Si l'on administre un produit de contraste au gadolinium, seuls les vaisseaux seront en hyper signal car le gadolinium abaisse le T1 donc peut donner un signal. Séquences courtes en apnée. 10/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. 2ème photo de gauche: polygone de willis II. Séquence de diffusion Elle étudie la vitesse des mouvements browniens de l'eau à l’intérieur des parenchymes (cerveau++). Requiert l'emploi d'une séquence ultra-rapide dite EPl (Echo-planar). Mobilité des protons de l'eau caractérisée par coefficient de diffusion qui dépend de la structure du tissu : – Région où la mobilité est élevée : donne un signal bas – Région où la mobilité est faible : donne un signal plus élevé Application : AVC ischémique à phase aiguë : la diffusion de l'eau est diminuée (œdème cytotoxique) d'où l’hyper signal très précoce. → La séquence de diffusion est très sensible à l’œdème cytotoxique. Après un accident vasculaire ischémique aigu par occlusion de l'artère cérébrale moyenne gauche. 11/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. Diffusion de l’eau des fibres du cerveau Tractographie de diffusion : très utilisé en neuro pour ne pas léser certaines fibres en opérant (pré-chirurgical), en recherche... III. Spectro IRM 1H (en proton) Analyse spectrale des composants paramagnétiques autres que l'eau (métabolites par exemple) avec vision de pics quand ils sont riches en protons. Au sein d'un ≪ méga-voxel ≫. Composants normaux et composants pathologiques peuvent être analysés. Applications : tumeurs cérébrales, anomalies métaboliques... pic des métabolites : déplacement chimique K. Artefacts 12/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. Artefact = quelque chose qui peut embellir mais en imagerie cela gène. Du fait de la multiplicité des facteurs déterminants la formation de l'image, les sources de dysfonctionnement sont multiples. a. Artefacts cinétiques : – Mouvements involontaires, respiration, battements cardiaques... – Séquences parfois impossibles à réaliser si le patient est agité – Pour les tout petits enfants → sédation – Synchronisation cardiaque ou respiratoire, petits moyens... Ex : Points blancs sur l'image gauche : Artefact de mouvement de l'aorte selon le codage de phase. b. Artefacts de repliement (= phénomène d'Aliasing): Repliement en miroir de la périphérique de l'image lorsque le champ de vue est trop petit par rapport à la taille de la zone étudiée. c. Artefacts de susceptibilité magnétique : – Perte de signal aux interfaces du fait d'un gradient de champ magnétique entre tissus différents ou lorsqu'il existe une prothèse ou un corps étranger métallique – Utiles pour rechercher les dérives de l’hémoglobine en EG : Ex : les bagues sur les dents brouillent le signal ou les vis chirurgicales d. Artefacts de troncature : Striations partielles en rapport avec une interface dans le sens du codage de phase. e. Artefacts de déplacement chimique : Décalage aux interfaces dans le sens du codage de fréquence (eau-graisse). 13/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. Image de droite : léger trait blanc sur la gauche mais pas sur la droite Rq : tout est opérateur dépendant sinon l'examen est nul ! L. Contre-indications de l'examen IRM (à savoir +++) Contre-indication formelles : – Corps étrangers métalliques intra-oculaires (travailleur exposé, accident...) – Pacemaker cardiaque, neuro-stimulateur, implants cochléaires et de manière générale de tout matériel médical électronique implanté de manière inamovible – Valve cardiaque métallique ancienne (les nouvelles ne sont pas métalliques) – Clips neurochirurgicaux anciens Contre-indication relatives : – Grossesse au cours du premier trimestre sauf si urgence maternelle (précaution) – Obésité > 150 kg (relatif du matériel à disposition) Ne sont pas des contre-indications : – Clips ou agrafes chirurgicales non à proximité de l’œil – Éclats métalliques – Prothèses ou appareillage dentaire – Prothèses ou matériel ostéosynthèse – Claustrophobie... Jusqu’à 3 à 5% des patients CR : illustration du prof, pour rigoler un peu : un chasseur qui s'est pris du plomb dans les fesses, tant pis pour lui, cela ne constitue pas une contre-indication... M. Précautions et contraintes de réalisation Précautions : – Effets biologiques d'une courte exposition à un champ magnétique statique → aucun effet délétère n'a été démontré jusqu’à présent – Stimulation des nerfs périphériques (trémulations) – Bruit intense (gradients) → protection auditive – Émission RF → échauffement des tissus ++ Taux d'absorption spécifique (SAR) : norme utilisée pour mesurer ces effets. Le maximum admissible en routine clinique est de 4W/kg pour le corps entier (très vite atteint chez les prématurés par ex). A 3 Tesla, avec le doublement de l’intensité des champs magnétiques, l’énergie déposée dans les tissus peut quadrupler. Contraintes de réalisation : – Nécessité du choix d'une antenne adaptée (crâne, sein, genou, etc...) – Installation confortable du patient (surtout s'il souffre du fait de sa pathologie : tumeur osseuse par ex) 14/15 BTIME – Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire. Connaissances de base. – Coopération du patient indispensable même si les séquences sont rapides Sinon : nécessite de sédation (jeunes enfants, patients de réanimation...) N. Principales indications Principe de substitution Directive européenne 97/48 : préférer un examen non irradiant. Recours à l'IRM : – Encéphale IRM dans toutes les situations : malformation, infectieux, inflammatoire, vasculaire, tumorale, dégénératif... – ORL scan/IRM : angle ponto-cérebelleux, cavum, larynx... – Thorax scan/IRM : cœur (IRM on voit la motricité cardiaque ce qui est très intéressant), gros vaisseaux – Sein : exploration et suivi des tumeurs malignes (pas dépistage!) – Rachis : nerf, os, moelle épinière, ... – Appareil digestif : foie, pancréas, tube digestif (suivi de maladie de Crohn) – Appareil urinaire : reins, prostate – Pelvis féminin écho et dès qu'on voit un problème IRM. CR : pas PAS LE SCANNER. – Appareil musculo-squelettique radio/écho/scan/IRM +++ : dégénératif, infectieux, tumoral, traumatique – Fœtus (écho +++) : SNC, thorax, abdomen (après 25-26 SA) Référence recommandée pour les bases : Dédicace aux vacances qui approchent : alleluya ! CR : dernière relecture du semestre, ça méritait bien une petite dédicace ! Bon courage à tous pour les révisions et on se retrouve au WES:) 15/15
