Bases de l`IRM en cardiologie

Bases de l’IRM en cardiologie
JN Dacher, CHU ROUEN
Objectifs de l’enseignement
• Bases physiques de l’IRM
– Concepts de base du phénomène physique
– Connaître la définition de
• TR, TE, T1, T2, TI, pondération
– Comprendre l’asservissement ECG en IRM
– Connaître les contre indications absolues et
relatives de l’IRM
Sources et lectures recommandées
• Web; e-mri par D Hoa
• B Kastler et D Vetter ; « Comprendre
l’IRM, manuel d’auto apprentissage »,
Masson
• J Bogaert et al.; Clinical Cardiac MRI ,
Springer
• MRI made easy. Monographie Schering
• Historique :
Découverte du phénomène : 1926
Bloch et Purcell : Spectres de RMN en 1946
Damadian : Spectres tissulaires en 1972
Lauterbur : Applications à l’imagerie par analogie à la
tomodensitométrie (fin des années 70)
en cardiologie; premières publications anciennes
« explosion » depuis l’avènement de deux grands types de
séquences; balanced FFE et delayed enhancement
IRM ou RMN ?
• Résonance Magnétique Nucléaire
• Nuclear Magnetic Resonance
– N noyau
– M champ magnétique
– R radiofréquence et résonance
LE N de RMN : le
proton
• Certains noyaux atomiques présentent spontanément
une rotation autour d’un axe propre qui peut être
assimilée à la rotation de la Terre autour de son axe
• Quand ils possèdent une charge positive (ion H+), ils se
comportent comme des micro-aimants possédant chacun
un pôle Nord et un pôle Sud
• Ce micro aimant peut être matérialisé par un vecteur
possédant une intensité (champ) et une direction
(polarisation)
Le champ induit
LE N de RMN : le proton
• L’hydrogène (H+) contient un seul proton et
présente l’avantage de son extrême abondance
dans le corps humain
• Spontanément, les protons du corps humain sont
orientés au hasard
• Soumis à un champ magnétique externe donné
(exprimé en Tesla), la fréquence de rotation
(MHz) de l’hydrogène est constante (42,58 MHz /
Tesla)
Pas de champ
magnétique
axes variables
résultante nulle
LE N de RMN
• N : Nucléaire, Nucléon, Proton. Aimant
microscopique du corps humain qui s’aligne
dans l’axe d ’un champ magnétique extérieur
stable en tournant (spin) autour de son propre
axe à la fréquence F
F = Bo . K
F : fréquence de rotation (ou de précession)
Bo : champ magnétique
K : constante gyromagnétique de l’hydrogène
LE N de RMN
• L ’IRM est une imagerie de l ’hydrogène
– les organes dépourvus d ’H+ ne donnent pas de signal
• air ambiant ou alvéolaire
• ligaments
• corticale des os
De la RMN à l’IRM...
M : Magnétique. Champ magnétique puissant
(Bo) et aussi stable que possible, responsable
de l’alignement des protons
axe homogène : magnétisation maximale
et état d ’équilibre
LE M de RMN
• L’aimant
– naturel : bas champ (0.2T) , poids considérable (11 à
12 tonnes, pas de développement actuel, ne
consomme aucune énergie
– résistif : électro aimant posant le problème de la
production de chaleur
– supra conducteur : alliage particulier perdant toute
résistance électrique au zéro absolu, permet de
développer des champs élevés
W = R I2 t
LE M de RMN : le champ magnétique
• Les protons (N) soumis au champ Bo (M) vont
subir essentiellement 2 phénomènes
- Orientation ou alignement le long de l’axe du
champ magnétique (z) vers le « Nord » (+ z, basse
énergie) ou vers le « Sud » (-z haute énergie)
- Rotation ou Précession le long de l’axe z à une
fréquence (de Larmor) qui dépend de la
constante gyromagnétique et du champ
F = Bo . K
• A l’équilibre, tous les H+ soumis au champ sont
orientés suivant l’axe z en ± et effectuent une
rotation de fréquence constante. Cependant ils
sont déphasés
LE R de RMN :
résonance et radiofréquence (RF)
• L’application d’une radiofréquence égale à la
fréquence de Larmor du proton a 2 effets
1) Elle fait passer un certain nombre de protons
d’un état de basse énergie à un état de haute
énergie
2) Surtout, elle met l’ensemble des protons en
phase (c-à-d sur le même point de leurs
orbites respectives)
LE R de RMN :
résonance et radiofréquence (RF)
• L’application d’une radiofréquence différente
de la fréquence de Larmor du proton n’a aucun
effet
perte de l’énergie dans le milieu
ceci permet de ne faire résonner que certains
protons
LE R de RMN :
résonance et radiofréquence (RF)
• Immédiatement, après l’administration d’une
onde très brève (pulse) de RF, la magnétisation
longitudinale (z) est nulle. Un vecteur de
magnétisation transversale (rephasage des
protons) est apparu
La relaxation des protons stimulés
LE R de RMN :
résonance et radiofréquence (RF)
• Dès l’arrêt de la RF, l’antenne émettrice devient
réceptrice. Les protons qui ne sont de nouveau
plus soumis qu’au champ magnétique principal
Bo vont tendre à retourner à l’état qui était le
leur avant l’administration de la RF. C’est la
relaxation
La relaxation des protons stimulés
Le signal IRM
• La relaxation protonique sous l’influence du
champ Bo (après l’impulsion RF qui est coupée)
induit un courant électrique (loi de Faraday) qui
est recueilli par l’antenne :
le signal IRM
Les 2 relaxations simultanées
• Relaxation transversale : diminution du vecteur
de magnétisation transversale (T2) =
Perte de la synchronisation RF induite
• Relaxation longitudinale : recroissance du
vecteur de magnétisation longitudinale (T1) =
Retour à l’état d’équilibre
Résumé du phénomène
•
•
•
•
•
•
Corps humain, Coeur : population de protons (ions H+)
Dans un champ magnétique externe puissant
Obtention d ’un état d’équilibre
Administration d’une onde de radiofréquence
Retour à l’état d’équilibre (relaxation)
Induction par les protons en relaxation d’un signal
électromagnétique (le signal IRM)
• La relaxation diffère d’un tissu à l’autre
• On peut créer une image avec du contraste entre les
tissus (échelle de gris)
Le matériel et le patient
• Aimant supraconducteur (parfois naturel)
• Bobines de gradients (positionnement du signal
dans l’espace)
• Antenne émettrice (onde de radiofréquence RF)
• Antenne réceptrice (recueil du signal)
• Système informatique (traitement des données et
transformation du signal électromagnétique en
image)
Localiser la provenance du signal
• Les protons capables de recevoir l’énergie sont
ceux dont la fréquence de rotation est égale à la
fréquence de l’onde RF.
• Il n’y a pas de transfert d’énergie aux protons
dont la vitesse est différente (intérêt des bobines
de gradients et importance de « l’immobilité » de
la source de protons, c-a-d le patient, ou bien le
coeur)
Localiser la provenance du signal
• Des gradients de champ magnétique sont
appliqués dans les 3 plans de l’espace (x, y, z).
Ils modifient de façon graduelle le champ
principal Bo dans les 3 plans de l’espace
• Une coupe donnée, choisie par l’examinateur,
est excitée par une radiofréquence sélectionnée.
On n’enregistre pour remplir la matrice
correspondante que les protons qui résonnent à
cette fréquence
Localiser la provenance du signal
Définition du « gradient de sélection de coupe » (GSS)
La finesse de coupe dépend de la « vitesse de montée » (pente)
des gradients
Localiser par la phase et la fréquence
• Gradient de codage de phase (Gp); codage
des lignes de l’espace de Fourier
• Gradient de codage de fréquence (Gf);
codage des colonnes
Application des gradients
Gradient de sélection
de coupe (Fc)
Gradient de codage
de phase
Gradient de codage
de Fc
ω6
GSS
Gφ
GSS
90°
Gφ
φ1
φ1
φ1
φ2
φ2
φ2
φ3
φ3
φ3
Gω
ω1
ω2
ω3
φ1
ω1
ω2
ω3 φ2
ω1
ω2
ω3 φ3
Gω
Signal
Localiser la provenance du signal
• L’IRM requiert l’immobilité du patient ou de
l ’organe
– sédation des enfants
– IRM cardiaque : nécessité de synchroniser
l ’acquisition à l ’ECG
– IRM avec synchronisation respiratoire (foie, reins)
– Synchronisation cardiaque et respiratoire ; IRM
coronaire
Mise en place de l’ECG
•
•
•
•
Préparation de la peau
Pose des électrodes
Ne pas croiser les fils
Axe du cœur : variable selon
la corpulence
Les 2 modes de
synchronisation
Synchronisation Prospective
R
Synchronisation Rétrospective
R
ECG
R
R
ECG
R-R
R-R
Synchro.
Synchro.
FENÊTRE D ’ACQUISITION
FENÊTRE ACQ.
MESURES
MESURES
FENÊTRE D ’ACQUISITION
FENÊTRE
MESURES
• Acquisition déclenchée par la détection de chaque onde R
• Réglage de la fenêtre d ’acquisition ≤ 90% du RR
• L ’acquisition ne se fait que pendant cette période
• Acquisition continue
• Mesures triées une fois l’acquisition achevée, rétrospectivement
• Réglage de la fenêtre d ’acquisition > de 10 à 20 % au RR
Vérification du signal ECG
•
•
•
•
•
Vérifier la bonne amplitude du signal avec une grande onde R positive
Choisir la meilleure dérivation
Repositionner les électrodes jusqu’à l’obtention d’un bon tracé.
Connaître la pseudo croissance de l’onde T dans l’IRM
ECG diagnostique limité dans l’enceinte de l’IRM
Les limites de l’ECG
• Limites et artéfacts: arythmie,
extra-systoles nombreuses,
micro-voltage des
épanchements péricardiques
abondants («swinging heart»)
• Il est inutile de démarrer un
examen si la synchronisation
est défaillante
Exemples de tracés ECG en cours
d’acquisition
Synchro Prospective
Synchro Rétrospective
Exemple de séquence CINE segmentée
avec synchronisation prospective
R
R
Intervalle RR
ECG
Fenêtre d’acquisition
Synchro.
...
Segments
Phases
Fenêtre d’acquisition
1
...
3
2
4
...
N
... N
3
1
2
4
Principe de segmentation
• L’espace R-R est divisé en plusieurs
segments
– Nécessite des commutations rapides des
gradients
• Au cours de chaque segment, on enregistre
plusieurs lignes (et non pas une seule)
• Gain de temps permettant l’acquisition d’un
plan de coupe en une apnée
Choix du type de synchronisation
ÖCINE IRM (balanced FFE) ; rétro
Ö Quantification des flux (Contraste de phase) ;
pro
Revenons à notre image…
• Les différences des temps de relation des tissus
sont à la base du contraste en IRM
• Le temps de relaxation d’un tissu dans le plan
longitudinal est aussi appelé temps T1
• Le temps de relaxation d’un tissu dans le plan
transversal est aussi appelé temps T2
Les 3 paramètres fondamentaux
du signal IRM
• T1 : temps requis pour qu’un tissu retrouve
63 % de sa magnétisation longitudinale
• p : densité de protons
• T2 : temps requis pour qu’un tissu perde 63 % de
sa magnétisation transversale
• Ces 3 paramètres sont les déterminants principaux
de la brillance (intensité) de chaque voxel (unité
de volume étudiée) et du contraste (différence
d’intensité entre les voxels voisins)
Temps d’Écho TE et
Temps de Répétition TR
• Le TR est le temps séparant 2 séquences
élémentaires successives (impulsions de 90°)
• Un Temps de Répétition court (500 ms)
« pondère » l’image en T1 : la recroissance du
vecteur de magnétisation longitudinale est
incomplète
Z
TR court
Signal IRM
Différences surtout
liées au T1
XY
tps
Temps d’Echo TE et
Temps de Répétition TR
• Le TR est le temps séparant 2 séquences
élémentaires successives (impulsions de 90°)
• Un TR long fait disparaître la pondération T1 : les
vecteurs longitudinaux des différents tissus se sont
rejoints (pondération T2)
Z
TR long
TR
XY
• Signal IRM
• Différences liées
uniquement au T2
tps
TE
Pond. T1
Pond. T2
Temps d’Echo TE et
Temps de Répétition TR (2)
• Le TE est le temps qui sépare l’impulsion de 90° de la
mesure
• Plus le Temps d’Écho est court, plus le signal est fort
• Mais, moins le contraste est important
• TR long et TE court donnent une image à fort signal et
faible contraste : le signal est fonction de la densité de
protons (p)
• Si on allonge le TE, on perd du signal mais on gagne du
contraste. Il faut trouver un compromis pour obtenir des
images interprétables et pondérées en T2 (TR et TE
longs)
Le produit de contraste
Injection de Gd
Inversion récupération
• Inversion de 180° préalable à l’excitation de
90° (hyper pondération T1)
• Identification d’un contraste (faible) entre
myocarde normal et zone retenant le
gadolinium (fibrose, nécrose, granulome)
Inversion récupération
Séquence 2D IR segmentée
Le temps d’acquisition
• Il dépend du Temps de Répétition (TR) des
impulsions
• Il dépend de la matrice utilisée
• Il dépend du nombre d’acquisitions demandé
(moyenne des mesures)
En imagerie cardiaque,
• Le TR dépend de l’espace RR, et on ne
pourra pas obtenir strictement des
pondérations T1 et T2
Les séquences « classiques »
• Spin écho ; les hétérogénéités du champ
magnétique sont annulées par une double
impulsion sélective de RF 90, puis 180°
– Sang noir car les protons circulants excités ont quitté le
plan de coupe au moment de l’écoute du signal
– Séquences consommatrices de temps et de qualité
médiocre (respiration libre)
– Spin écho multi coupes = multi phases, donc pas adapté
aux mesures (p ex. épaisseur diastolique du myocarde)
Les séquences « classiques »
• Écho de gradient ; l’angle de bascule est
moindre. Pas de double impulsion
(inversion du gradient de lecture)
– Sang « blanc » par phénomène d’entrée de
coupe
– Séquences sensibles au déphasage
– Encore utilisées pour l’analyse du jeu valvulaire
Les « nouvelles » séquences
• TR court avec aimantation transversale
résiduelle
– On peut la détruire (spoiler); base de l’ARM
avec injection. Pondération T1 forte.
– On peut la renforcer (gradients rephaseurs,
séquences SSFP). Amélioration du rapport
signal / bruit
Les préparations
• Saturation de la graisse
• Présaturation des spins circulants ;
préparation dark blood
• Tagging
Contre indications à l’IRM
• Cardiologiques
– Pacemaker
– Défibrillateur implantable
– Nb. Les stents coronaires même récents et les
prothèses valvulaires ne contre indiquent pas la
pratique d’une IRM jusqu’à 1.5T
• Extra cardiologiques
– Neurostimulateur
– Corps étranger métallique intra oculaire
– Implant cochléaire
– Claustrophobie ; penser à poser les bonnes
questions au patient avant toute IRM (tunnel,
ascenseur..)
En 2007, les dispositifs implantés (PM, Def, NS) sont devenus
des contre indications relatives à la pratique de l’IRM.
En cas de besoin d’imagerie, préférer le scanner
Si l’IRM est indispensable, nécessité d’avis d’un trio médical
qui doit être présent le jour de l’examen
Demandeur de l’examen
Responsable du dispositif implanté
Médecin en charge de la réalisation de l’IRM