Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire
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plan Introduction Rappel de Magnétisme Le magnétisme des noyaux L'expérience de RMN Les paramètres du contraste La formation de l'image Applications JM Rocchisani IRM 1 plan Introduction Rappel de Magnétisme Le magnétisme des noyaux L'expérience de RMN Les paramètres du contraste La formation de l'image applications JM Rocchisani IRM 2 Magnétisme | Magnétisme Nucléaire| l'Expérience RMN| le Signal RMN | L'image Magnétisme de la matière | Sortes de Magnétisme Les noyaux d'intérêt en IRM Le proton +++ Noyau d'hydrogène Grande abondance ! (eau: 70% du poids corporel) À la base de l'IRM Autres Na 31 P 23 JM Rocchisani IRM 3 Le proton imagerie médicale : en général, noyau de l'atome d'Hydrogène présent dans l’eau H H noyau de l’atome d’hydrogène = proton O spin : rotation intrinsèque petit aimant Précession, Induction magnétique N = S JM Rocchisani IRM 4 Introduction Principe Général de l'IRM Mesure des propriétés MAGNETIQUES des tissus biologiques Patient soumis à l'action simultanée : champ magnétique principal BO constant + champ magnétique de durée brève (impulsion) onde radio + champ(s) magnétique(s) variable(s) (Gradients de champ magnétique) JM Rocchisani IRM 5 L'expérience de RMN La magnétisation La résonance La relaxation JM Rocchisani IRM 6 magnétisme de la matière (résumé) Les descriptions des phénomènes z description vectorielle y x E2 description quantique E1 JM Rocchisani IRM 7 La magnétisation Absence de champ magnétique environnement naturel la matière biologique n’est pas aimantée. Les moments magnétiques nucléaires d’un tissu présentent une ORIENTATION ALEATOIRE, (mais des modules égaux) Donc l’aimantation totale est nulle: M=0 JM Rocchisani IRM 8 La magnétisation Dans l’expérience IRM, le Patient sera soumis à l'action simultanée : 0,01 à 3 Tesla U D'un champ magnétique principal BO constant et permanent N BO S Et d'une onde radio de durée brève B1 (impulsion) exemple : 21 MHz à B0= 0,5 T JM Rocchisani IRM 9 La magnétisation Action d’un champ magnétique extérieur uniforme et constant B0 apparition d'une précession création d'une aimantation macroscopique longitudinale déphasage des spins JM Rocchisani IRM 10 La magnétisation > Action de B0: 1. Précession chaque proton tourne autour de Bo à la fréquence de Larmor f0 1 proton B0 vitesse angulaire :0= . B fréquence de rotation : f 0 = . B0 2 "cercle de précession" µ caractérise le proton (= patient) , et ne change pas B0 dépend du champ crée par l'aimant ( non constant) JM Rocchisani IRM 11 La magnétisation Sous l'action d’un champ magnétique extérieur uniforme et constant B0. aimant voxel Apparition d’une aimantation Macroscopique Mz0 Parallèle à B0 JM Rocchisani IRM 12 La magnétisation > Action de B0: 2. création d'une aimantation longitudinale Dans un champ de 1T, Et pour une population de: 1 million de protons Il existe un EXCES DE 2 PROTONS D’ENERGIE Eup Donc, apparition d'une aimantation longitudinale Mz non nulle Bo JM Rocchisani E2 down E1 up E IRM 13 La magnétisation > Action de B0 3. déphasage et annulation de l'aimantation transverse L'application de B0 entraine une répartition aléatoire des spins sur le cercle de précession = "déphasage des spins" niveau haute énergie B0 M niveau basse énergie "déphasage des spins" ⇒ annulation de Mxy JM Rocchisani IRM 14 La magnétisation > Action de B0: 3. déphasage et annulation de l'aimantation transverse B0 ⇒ "déphasage des spins" ⇒ annulation de Mxy macroscopique microscopique µ B0 MZ MT µ M T =∑ μ T 0 Déphasage ⇒l'aimantation transverse s'annu JM Rocchisani IRM 15 La magnétisation> Action de B0: Précession fréquence de Larmor B0 f0 = (γ / 2 π ) vitesse de rotation angulaire: 0 = γ . B0 Exercice1: a) La fréquence de Larmor (encore appelée fréquence de résonance) de l'hydrogène est de 6,38 MHz à 1500 Gauss. Quelle est sa fréquence de résonance ? - à 1 Tesla ? - à 1,5 Tesla ? b) Quelle est l'intensité du champ magnétique d'un spectromètre fonctionnant à 200 MHz en proton ? c) Quelle est la fréquence de résonance du Phosphore31 p à 1,5 Tesla, sachant que son rapport gyro-magnétique est 2,5 fois plus petit que celui de l'hydrogène ? (On donne : γ proton = 2,675.108 s-1. T-1). JM Rocchisani IRM 16 L'expérience de RMN La magnétisation (effet de B0) La résonance magnétique nucléaire Notion de résonance Action d'une impulsion de champ magnétique extérieur “tournant” B1 sur le système des spins La relaxation JM Rocchisani IRM 17 La Résonance Magnétique nucléaire Notion de résonance Échange d'énergie entre un système et l'extérieur Dans des conditions optimales JM Rocchisani IRM 18 La Résonance Magnétique nucléaire Exemple de Résonance en acoustique TRANSFERT MAXIMUM D’ENERGIE L'onde sonore fait vibrer le cristal, jusqu'à le rompre JM Rocchisani IRM 19 La Résonance Magnétique nucléaire Exemple de Résonance en mécanique s Le pas du militaire Le Pont de Tacoma - 1940 - indestructible comme le titanic ... JM Rocchisani IRM 20 La Résonance Magnétique nucléaire Exemple de Résonance en Radio Le récepteur doit être accordé à la fréquence de l'émetteur JM Rocchisani IRM 21 La Résonance Magnétique nucléaire Le système à exciter est celui des spins l'énergie d'excitation doit faire basculer les spins entre les 2 états d'équilibre "parallèle" et "antiparallèle" L'énergie (maximale) à la résonance est l'écart des énergies des 2 états d'équilibre: ΔE=γ JM Rocchisani h h B0= ω0 2π 2π IRM 22 La Résonance Magnétique nucléaire L'énergie d'excitation est • de façon équivalente une onde éléctromagnétique ou un champ magnétique tournant à la vitesse ω 0 des spins (pour suivre la précession) • de courte durée (impulsion ) ~ 20ms • d'énergie faible, égale à l'énergie d'une onde radio ΔE=γ h h B0= ω0 2π 2π • de fréquence = fréquence de LARMOR pour le champ B considéré JM Rocchisani IRM 23 La Résonance Magnétique nucléaire Action d'une impulsion d'excitation B1 B1 = impulsion radio de fréquence à la fréquence f0 de Larmor doit être appliquée sur un moment en précession avec une durée brève donc produite par un champ magnétique "tournant" à la fréquence de Larmor JM Rocchisani IRM 24 La Résonance Magnétique nucléaire Création d'un Champ B1 tournant : avec 2 bobines parcourues par une courant électrique sinusoïdal (énergie d'excitation) B0 B1 B1 DIMINUTION DE B1 EN PROFONDEUR JM Rocchisani IRM 25 La Résonance Magnétique nucléaire Action d'une impulsion d'excitation B1 B1 = impulsion radio de fréquence f0 = fréquence de Larmor Sur l’ Énergie: échanges entre les 2 états d'équilibre ⇒ modification de la répartition de la population entre les 2 niveaux d'énergie vers une égalisation ⇒ diminution de Mz JM Rocchisani IRM 26 La Résonance Magnétique nucléaire L'impulsion 90° description quantique E2 ∆ E Bo E1 ∆ E = h f0 égalisation du nombre de protons juste après une impulsion de 90° JM Rocchisani IRM 27 La Résonance Magnétique nucléaire Action d'une impulsion d'excitation B1 B1 = impulsion radio de fréquence f0 = fréquence de Larmor Sur la phase du mouvement de Précession: L'impulsion va , suivant sa durée d'application, • mettre en phase les moments = les regrouper dans leur mouvement de précession => augmentation de Mxy jusqu'à un maximum (impulsion « 90° ») • Puis les déphaser = les disperser dans leur mouvement de précession=> diminution de Mxy jusqu'à un minimum (impulsion « 180° ») • Puis rephasage, re-déphasage, etc… JM Rocchisani IRM 28 L'impulsion 90° moments magnétiques nucléaires juste après une impulsion de 90° B0 M mise en phase JM Rocchisani IRM 29 L'impulsion 90° description vectorielle quand f = f0 z B0 ML M θ le vecteur aimantation M s’incline y MT x M s’écarte de B0 tout en tournant autour de B0 JM Rocchisani IRM 30 L'impulsion 90° Après un temps t0 d'application de l’impulsion l'aimantation M est inclinée d’un angle θ par rapport à B0 = angle de "bascule" = "flip angle" z ML B0 M θ MT y x JM Rocchisani IRM 31 L'impulsion 90° Après un temps suffisant, l’ aimantation totale M à basculé de 90° = impulsion de 90° z B0 θ = 90° x M y aimantation totale M juste après une impulsion de 90° JM Rocchisani IRM 32 L'impulsion 180° L’impulsion peut être appliquée plus longtemps. aimantation totale M juste après une impulsion de 180° z B0 x JM Rocchisani M y θ = 180° IRM 33 L'expérience de RMN La magnétisation La résonance La relaxation JM Rocchisani IRM 34 La relaxation Le phénomène de relaxation apparait dès l’arrêt de l’impulsion radio C'est le retour à l'état d'équilibre de la population des spins Sous l’action de B0, la population se répartit Inégalement sur les états d’équilibre « up » et « down », ( nombre « up » > nombre « down ») Donc Mz augmente Régulièrement sur le cercle de précession Déphasage Donc Mxy diminue JM Rocchisani IRM 35 La relaxation le retour à l'état d'équilibre L'aimantation Mz et Mxy évoluent au cours du temps indépendamment et Simultanément Mz dépend du temps de relaxation T1 et Mxy dépend du temps de relaxation T2 JM Rocchisani IRM 36 La relaxation de l’aimantation longitudinale Mz Exercice: Que représente Meq ? − M z =M 0 .1−e Calculer la repousse de Mz M quand t=T1 M dessiner les courbes de repousse0,63M de Mz pour 2 organes différents par leurs T1 et leurs "densité", t T1 z eq eq 0 JM Rocchisani IRM T1 t 37 La relaxation de l’aimantation longitudinale Mz Exercice: On donne les temps de relaxation T2 (Spin - Spin ou relaxation transverse) mesurés par une séquence de "Spin-Echo". - La substance blanche T2 B = 90 ms - La substance grise T2G = 110 ms - Le LCR T2L = 250 ms En prenant un temps d'echo de 40 ms donner les intensités des signaux obtenus en pourcentage au 1er et 4 ème écho d'une séquence spin-écho. Calculer les contrastes. Conclusion. JM Rocchisani IRM 38 La relaxation de l’aimantation longitudinale Mz Après l’arrêt d’une impulsion de 90°, Mz "repousse" et suit la 1ière loi de BLOCH : − M z =M 0 . 1−e Aimantation longitudinale t T1 T1 : temps de relaxation longitudinale valeur à l’équilibre de Mz T1 : temps caractéristique décrivant l’évolution de Mz Mz M0 0,63Meq (temps mis par l’aimantation longitudinale pour atteindre 63 % de sa valeur à l’équilibre M0) 0 JM Rocchisani T1 t IRM 39 La relaxation de l’aimantation longitudinale Mz Exercice: On donne les temps de relaxation SPIN-RESEAU T1 pour : La substance blanche T1B = 300 ms La substance grise T1G = 500 ms Le liquide cephalo-rachidien T1L = 2000 ms Donner le pourcentage de repousse longitudinale de la magnétisation après une impulsion de saturation (π/2) pour : - les temps de lecture sont de 300 ms, 500 ms, 1s, 3s. - établir les courbes du signal en fonction du temps. Quel est le temps optimal pour obtenir le meilleur contraste. Construire les courbes de contraste. Substance blanche/Substance grise, Substance blanche/LCR. JM Rocchisani IRM 40 La relaxation de l’aimantation transversale Mxy Après l’impulsion de 90°, les spins nucléaires sont en phase la relaxation transversale MT (=Mxy) crée un progressif des spins → répartition homogène sur les cônes de → MT ↓ 0 JM Rocchisani IRM déphasage précession 41 La relaxation de l’aimantation transversale Mxy JM Rocchisani IRM 42 La relaxation transversale La relaxation de l’aimantation transversale Mxy Après l’arrêt d’une impulsion de 90°, MT "repousse" et MT suit la 2ème loi de BLOCH M T − M xy =M T =M τ . e t T 2 Mτ 0,37 Mτ valeur de MT à l’instant choisi comme origine 0 T2 t T2 : temps caractéristique décrivant l’évolution de MT (temps mis par l’aimantation transversale pour atteindre 37 % de sa valeur initiale) T2 : temps de relaxation transversale JM Rocchisani IRM 43 La relaxation de l’aimantation transversale Mxy Exercice: Calculer la décroissance de MT quand t=T2 Que peut représenter Mτ M xy =M T =M τ .e MT t T2 Mτ ? dessiner les courbes de décroissance de MT pour 2 organes différents par leurs T2 et leurs Mτ JM Rocchisani − IRM 0,37 Mτ 0 T2 t 44 Temps de relaxation de milieux biologiques Signification de T1 « relaxation spin-réseau » Dépend de la taille des molécules et de leur environnement Dépend du champ B0 Signification de T2 « relaxation spin-spin » Dépend des hétérogénéités du champ magnétique local Induite par les spins entre eux Chaque tissu ,normal ou pathologique ,est caractérisé par son T1, son T2, et sa quantité de protons (M0= = « densité ») JM Rocchisani IRM 45 Temps de relaxation de milieux biologiques (champ B0 de 1,5 T) T1 eau LCR muscle graisse foie subst. blanche subst. grise JM Rocchisani T2 3000 ms 2500 800 200 500 750 850 1500 ms 1000 45 75 45 90 100 IRM 46 La relaxation Retour à l’équilibre ⇒L'aimentation macroscopique M croit vers sa valeur d'équilibre M0 Comment mesurer les phénomènes ??? z B0 ML M y antenne MT x JM Rocchisani IRM 47 La relaxation la mesure du signal La seule possibilité est d’enregister un signal induit dans une bobine par l'aimantation transversale Bobine orthogonale à B ω0 ENREGISTREMENT D'UN COURANT ELECTRIQUE INDUIT DANS LA BOBINE DE RECEPTION plan de mesure JM Rocchisani IRM 48 la mesure du signal COURANT INDUIT ENREGISTRE temps Signal de précession libre Free Induction Decay( F I D) Quelle est la fréquence du signal ??? JM Rocchisani IRM 49 Le temps de relaxation T2* La décroissance de l’aimantation transverse Mxy est en réalité plus rapide qu’en théorie: Car le champ Bo n’est jamais parfaitement homogène, et donc le déphasage est accéléré. Le temps de relaxation transverse qui est effectivement mesuré est le temps T2* JM Rocchisani IRM 50 Le temps de relaxation T2* JM Rocchisani IRM 51 Comment mesurer T2 ? aimantation −t T2* = MT Mτ .e Méthode "spin-echo" M T =M τ . e t T 2 T2 T T2* T temps ω0 JM Rocchisani ω0 180° ω 0+ ω 0+ ω0 ω0 - Mesureω 0 symmétrie En phase ω0 - déphasage rephasage IRM En phase 52 plan Introduction Rappel de Magnétisme Le magnétisme des noyaux L'expérience de RMN Les paramètres du contraste La formation de l'image applications JM Rocchisani IRM 53
