IRM couleur

PSY-3701
Imagerie par résonnance magnétique
Avantages de l’IRM
• L’IRM est une technique d’émission plutôt qu’une
technique de transmission
• Le signal de la RM est intrinsèque au sujet (il ne provient
pas d’une substance injectée)
• Le contraste de la résonnance magnétique provient en
grande partie des propriétés chimiques et biochimiques .
• Les limites théoriques de résolution spatiale pour l’IRM
anatomique est de l’ordre du micron et probablement de
l’ordre du millimètre pour l’IRM fonctionnelle.
• L’IRM implique des radiations dans la bande des
radiofréquences: Les tissus sont presque tous transparents
à cette bande et les radiations sont non-ionisantes.
Désavantages de l’IRM
Le signal de résonnance magnétique est faible
Des aimants très puissants sont nécessaires (coûteux)
Les instruments d’IRM sont très volumineux
Les champs magnétiques périphériques créés par l’IRM sont
potentiellement dangeureux pour le personnel.
Les temps d’acquisitions peuvent être très longs pour compenser
pour la faiblesse du signal
Le signal de résonnance magnétique est transitoire (<50 msec) et
sujet à une période réfractaire (~40 sec)
Principes généraux de de la
magnétisation
ientation des champs
gnétiques
Nord
La propriété directionnelle de deux
aimants (la terre et une boussole) fait
qu’ils vont s’aligner de façon
préférentielle et révéler les lignes du
champs magnétique
N
Sud
S
Propriétés des champs magnétiques
x aimants de même force et situés en un même endroit mais
ntant dans des directions différentes produisent un champs
nétique nul (car les deux forces magnétiques s’annulent)
Nord Sud
Sud Nord
Propriétés des champs magnétiques
contre si les aimants sont orientés dans la même direction les
mps magnétiques s’additionnent
Nord Nord
Sud Sud
Électromagnétisme
Un flux d’électrons ( ) suivant l’axe Z produit un
champs magnétique dans le plan XY
X
Z
Y
Électromagnétisme
Un champs magnétique se déplacant dans le plan XY
ou changeant d’intensité produit un courant électrique
dans l’axe othogonal (Z)
X
Z
Y
Composantes de la matière
eN
N
+
P
P+
e• La matière est composée d’électrons, de protons et de
neutrons
• Les électrons et les protons ont une charge électrique et
sont constamment en mouvement
• Les électrons tournent autour du noyau atomique
• Les composantes du noyau ont une propriété de spin
Spin nucléaire
Il y a deux façons de comprendre le spin nucléaire:
La façon traditionnelle où le spin est mesuré par la présence d’u
moment angulaire qui est utilisé pour produire les images d’IRM
Dans le cadre de la physique quantique, le spin est une des
propriétés des noyaux atomiques comme la masse, la charge
électrique.
Comme les particules chargées des noyaux atomiques sont en
mouvement continuel, ils produisent un champs magnétique
comme un petit aimant dipôle. Ils ont donc un moment magnétiq
Spin nucléaire
• Seulement certains noyaux atomiques ont cette propriété.
• 1H, 7Li, 13C, 17O, 19F, 23Na
• le noyau atomique le plus utile pour l’IRM est le 1H.
• Les électrons ont aussi un spin (Electron Spin
Resonnance) mais ils orbitent le noyau à des vitesses
immenses et les niveaux d’énergie sont trop élevés pour
être utile dans l’imagerie des tissus vivants.
Spin nucléaire
eN
P+
hydrogène: les
composantes ne
sont pas appariées
eN
N
+
P
P+
Hélium: tous
composantes
appariées
eNoyau
1H
2H
31P
23Na
14N
13C
19F
Protons
nonappariés
1
1
0
0
1
0
0
Neutrons
nonappariés
0
1
1
1
1
1
1
Spin
Net
(MHz/T)
1/2
1
1/2
3/2
1
1/2
1/2
42.58
6.54
17.25
11.27
3.08
10.71
40.0
Spin nucléaire
Quand des protons sont placés dans un champs
magnétique externe, le vecteur du spin de la particule
s’enligne avec le champs magnétique comme un aimant. Il
y a une configuration à basse énergie et une configuration
à haute énergie.
Alignement de basse énergie
Alignement de haute énergie
N
N
S
N
N
S
S
S
Spin nucléaire
Une particule peut passer d’une configuration à l’autre.
Une particule dans la configuration à basse énergie peut absor
un photon et se retrouver dans la configuration à haute énergie
L’énergie du photon qui initie la transition doit avoir une éner
correspondant exactement à la différence d’énergie entre les de
configurations.
La différence d’énergie entre les deux configurations est donn
par :
∆E = hv
= constante de Planck (h = 6.626x10-34 J/s)
= fréquence du photon électromagnétique visible
Force d’un champs magnétique
• La force d’un champs magnétique est mesuré en Gauss (G)
ou en Telsa (T) (=10,000 Gauss).
• Le champs magnétique de la terre est de 0.5 G
• Les petites figures aimantées que l’on pose sur le frigo
produisent des champs magnétiques de l’ordre 100-2000 G
• Quand des protons sont placés dans un champs magnétique
de 1.5 T, la différence d’énergie entre les deux niveaux
quantiques correspond à une fréquence de 63 millions de
cycles par seconde (ou une différence d’énergie de 0.006
calories par mole.
• La relation entre la fréquence et les niveaux d’énergie est
centrale pour la compréhension de l’IRM.
Relation entre fréquence et énergie
La relation entre la force d’un champs magnétique et la différen
d’énergie est définie par l’équation suivante:
∆ = γhB0/2π
h = constante de Planck
γ = constante de Larmor (ou rapport gyromagnétique
est égal à 42.58 Mhz/T pour les protons)
B0 = intensité du champs magnétique en Telsa
La relation entre la force d’un champs magnétique et la fréquen
est définie par l’équation suivante:
ƒL = γhB0
ƒL=fréquence de Larmor en hertz
Relation entre fréquence et énergie
∆ = γhB0/2π
ƒL = γhB0
tte relation cruciale indique que la différence de fréquence entre
nfiguration de basse énergie et la configuration de haute énergie
ectement proportionnelle au champs magnétique.
Fréquence (MHz)
La relation de Larmor
84
42
0.0
2.0
1.0
Champs magnétique (telsa)
Répartition des spins
• Comme la différence d’énergie entre les deux niveaux
quantiques sous l’influence d’un champs magnétique est
faible, on s’attend à ce qu’il y ait un nombre à peu près
égal de protons qui sont enlignés soit avec le champs
magnétique ou soit à l’inverse du champs.
• En fait, à l’équilibre et à température ambiante, ce rapport
est de 0.99999 pour 1: pour chaque million de protons, il y
en a 10 de plus dans le niveau d’énergie le plus bas.
• Ce petit excès de proton dans le niveau bas donne aux
protons dans leur ensemble, une petite magnétisation.
• Cette petite magnétisation (notée M) est le signal qui est
capté en IRM.
Relaxation longitudinale
n
n
n
n
Les protons passent d’un niveau d’énergie à l’autre
spontanément en autant que de l’énergie est ajoutée (pour
passer d’un niveau bas à un niveau haut) ou enlevée pour
la transition inverse.
La transition s’effectue seulement si le proton reçoit une
quantité précise d’énergie (un quanta).
L’énergie est échangée spontanément avec d’autres
composantes nucléaires qui peuvent recevoir ou donner le
bon quanta.
La fréquence de ces échanges dépend de la température
(énergie cinétique)
Relaxation longitudinale
L’intensité de la magnétisation d’un
échantillon est notée Mz (par convention, le
champs magnétique est appliqué selon l’axe Z)
n L’intensité de la magnétisation (axe Z) lorsque
l’on atteint un équilibre est notée M0
n L’atteinte progressive de cet équilibre est
appelée relaxation longitudinale.
n
Relaxation longitudinale
La constante de temps selon laquelle un
échantillon passe d’un état non-magnétisé à
un état magnétisé s’appelle T1
n T1 est défini par l’équation: Mz=M0(1-e-t/T1)
n
T1 court (lipide)
Mgnétisation:Mz
1
0.5
T1 long (CSF)
0
0
1
2
T1
3
4
sec
Relaxation longitudinale
n
n
n
n
n
La vitesse à laquelle un échantillon devient magnétisé
dépend d’une quantité T1.
T1 est une propriété de l’échantillon et dépend de l’énergie
disponible pour passer d’un niveau d’énergie à l’autre.
L’énergie disponible dépend de la chaleur ambiante.
La chaleur ambiante dépend de l’énergie cinétique des
molécules (rotation et translation)
Les petites molécules ont une énergie cinétique beaucoup
plus grande (elles bougent plus facilement)
Relaxation longitudinale
n
n
n
n
Les fréquences de rotation et de translation de l’eau (petite
molécule) sont trop grande pour qu’un champs magnétique
d’une force raisonnable (02-2.0 T) facilite rapidement le
changement de niveau d’énergie.
Le T1 de l’eau est donc plutôt long.
Par contre, les lipides ont des fréquences plus basses (de
l’ordre de 10-100 Mhz) qui correspondent au champs
magnétique utilisé en IRM.
Le T1 des lipides est donc très court.
Relaxation longitudinale
n
n
Les molécules plus grandes que les lipides ont des
fréquences cinétiques plus basses que 10 MHz et
contiennent peu d’énergie correspondant aux
caractéristiques du champs magnétique.
Pour ces grosses molécules, T1 redevient plus long.
Relaxation longitudinale
Le processus de magnétisation se produit au
niveau sub-atomique.
n Ce processus requiert l’échange d’énergie
précise (quanta) provenant de collisions au
hasard.
n Ces collisions quantiques sont plutôt rares
et ceci explique le temps relativement long
de la magnétisation de l’eau.
n
Magnétisation transverse
n
n
n
n
Le deuxième changement produit par l’action d’un champs
magnétique sur un proton s’appelle la précession.
Le mouvement de la particule est décrit par sa vitesse
angulaire mais aussi par son moment angulaire.
Le moment angulaire d’un objet en rotation correspond à la
force qui résiste à des changements d’orientation de l’axe
de rotation.
Cette force est observable dans le comportement des
toupies.
Magnétisation transverse
n
n
n
Si on incline un gyroscope en mouvement une partie de
son moment angulaire est converti en précession avec la
conséquence que le gyroscope tourne plus lentement.
Une partie du moment cinétique est convertie en un
moment angulaire différent tournant autour de la ligne
d’orientation du champs magnétique.
Pour les particules, le moment angulaire a une fréquence
de précession égale à la fréquence de Larmor :
ƒL = γhB0
Magnétisation transverse
n
n
n
n
n
Chaque noyau en rotation peut donc être considéré comme
un aimant dipôle tournant autour de l’axe d’un champs
magnétique.
Le dipôle de ce noyau a deux composantes:
Une composante enlignée le long du champs magnétique
(la composante longitudinale)
Une composante orthogonale à la première (la composante
transverse) qui tourne autour du champs magnétique.
La direction de la composante transverse change
continuellement à un taux égal à la fréquence de Larmor à
mesure que cette composante tourne autour du champs
magnétique.
Magnétisation transverse
n
n
n
Quand on applique un champs magnétique, l’axe
longitudinal de la magnétisation de tous les protons
s’oriente dans la même direction.
Cependant, la composante transverse de ces protons est
orientée au hasard.
Comme on peut s’attendre à ce que les orientations
transverses de l’ensemble des protons s’annulent, la seule
magnétisation d’ensemble mesurable est la composante
longitudinale (des excédents de protons dans les niveaux
bas d’énergie).
Relaxation transverse
n
n
n
n
n
Si l’on imagine une situation où tous les dipôles
individuels sont alignés dans un champs magnétique
homogène.
Comme décrit précédemment, chaque dipôle a deux
composantes:
Une composante longitudinale orientée de façon stable Mz
Une composante transverse en rotation Mxy
Comme la composante longitudinale a enligné les protons
dans la même direction, la composante transverse va être
cumulative dans cette situation: La magnétisation
transverse totale est une magnétisation en rotation avec une
intensité égale à la somme de tous les dipôles.
Relaxation transverse
n
n
n
Comme décrit précédemment, chaque dipôle a deux
composantes:
Une composante longitudinale orientée de façon stable Mz
Une composante transverse en rotation Mxy
z
Mz
y’
Mxy
x’
Relaxation transverse
n
n
n
n
Les dipôles tournent donc à la même fréquence (de
Larmor) et leur magnétisation combinée tourne autour du
champs magnétique à cette même fréquence.
À ce moment, le signal RM est à son maximum.
Quand les dipôles sont alignés et tourne à la même vitesse,
ils sont en phase.
Quand les dipôles sont alignés dans des directions
différentes, mais tourne à la même vitesse, ils sont hors
phase et le signal RM est minimal.
Relaxation transverse
n
Le passage d’un signal maximal où tous les dipôles sont
enlignés et tournent à la même fréquence à un signal
minimal où les dipôles sont hors phase s’appelle la
relaxation transverse.
1
Signal
Mxy
T2 long (CSF)
0.5
T2 court (lipide)
0
0
25
50
75
TE : temps écho
100 msec
Relaxation transverse
n
n
n
La relaxation transverse s’effectue suivant une constante T2,
comme T1, dépend des propriétés du tissu observé.
T2 dépend aussi d’autres facteurs dont l’homogénéité du cha
magnétique, la magnétization variable des tissus (T2*), les
différences de magnétization dépendantes de l’environnemen
chimique et structurel intracellulaire (T2).
Le T2obs (T2 observé) dépend de la somme de l’effet de ces
facteurs selon l’équation
1
= 1 + 1
T2obs
T2 T2*
Induction et Résonnance
n
n
n
Pour induire un signal RM (c’est-à-dire produire un
alignement de la magnétisation transverse des protons),
l’échantillon (le patient) est irradié d’un champs
électromagnétique qui tourne ( ou oscille) à la fréquence de
Larmor.
Cette fréquence correspond exactement à l’énergie
nécessaire pour initier une transition du spin des protons
d’un niveau d’énergie à l’autre.
Ce champs électromagnétique oscillant est noté B1
Induction et Résonnance
Laa première étape d’induction consiste à magnétiser l’échantillon
aide d’un champs magnétique statique orienté dans l’axe Z
’aide
À l’équilibre, la magnétisation de l’échantillon est mesuré par le
ecteur M0
A ce moment, la magnétisation transverse est égale à 0 puisque la
omposante transverse des spins est orientée au hasard
irection du
hamps
atique B0
z
M0
y’
x’
Induction et Résonnance
a deuxième étape consiste à appliquer un second champs magnét
B1) orienté selon l’axe y’ qui force la magnétisation orienté selon
selo
axe Z à s’orienter dans le plan x’-y’. Ce champs B1 est un cham
e radiofréquences qui oscille à la fréquence de Larmor
irection du
amps
atique B0
ection du champs B1
illant
z
y’
x’
Induction et Résonnance
n
n
n
Donc, le résultat de la transmission d’une pulsation
électromagnétique (fréquence de Larmor) à un échantillon
magnétisé est la conversion de la magnétisation
longitudinale en un champs magnétique en précession.
Ce champs oscillant a une amplitude suffisante pour être
détectée par des détecteurs analogues aux syntonisateurs de
télévision ou de radio.
Cependant, le champ oscillant ne peut être efficace que s’il
y a suffisamment de magnétisation longitudinale
Écho de spin
ès l’application du champs B1, tous les spins sont en phase (en
cession)
Direction du
champs
statique B0
direction du champs B1
oscillant
z
y’
lent
0
vite
x’
Écho de spin
variations dans la force du champs magnétique amène un
hasage de spins, certains precessant plus vite ou plus lentement
un spin de référence. La conséquence est une diminution du signa
z
Direction du
champs
statique B0
y’
lent
direction du champs B1
oscillant
0
vite
déphasage T2*
x’
Écho de spin
r former un écho de spin, un deuxième champs oscillant est
liqué avec une durée et une intensité suffisante pour induire une
velle orientation des spins à 180 °
z
Direction du
champs
statique B0
y’
lent
0
vite
direction du champs B1
oscillant
x’
Nouveau champ
Écho de spin
ignal se reforme en écho de spin
z
Direction du
champs
statique B0
direction du champs B1
oscillant
lent
vite
y’
0
x’