UE 2 – Biopathologie Dr P. Mascarel
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UE 2 – Biopathologie Dr P. Mascarel Date : 09/10/2015 Promo : 2015-2016 Plage horaire : 14h - 16h Enseignant : P. Mascarel Ronéistes : HAYS Yohan VENAULT Adrien Les bases physiques de l'IRM Introduction I. Généralités II. Le principe de résonance III. Enregistrement du signal IV. La relaxation V. Le T1 et le T2 1) 2) 3) 4) Définitions Le T1 Le T2 Transcription au niveau de l'image VI. Les différentes séquences d’acquisition de l’image 1) 2) 3) 4) Définitions Enregistrement du signal Influence du TR sur la séquence Influence du TE. VII. Différents types de séquences 1) 2) 3) 4) Spin-écho En écho de gradient En inversion-récupération Séquences vasculaires en temps de vol VIII. Signal des tissus de base 1) 2) 3) 4) IX. 1) 2) 3) 4) Eau Graisse Mélanine Hématome Exemple de pathologies: intérêt du choix de la bonne séquence : Eau La sclérose en plaque : intérêt de la séquence FLAIR Métastases vertébrales : intérêt de la séquence STIR Endométriose pelvienne : intérêt de la séquence T1 avec annulation de la graisse Maladie d’Alzheimer : intérêt de la séquence inversion récupération fortement pondérée T1 Objectif: Essayer de bien comprendre les bases physiques pour pouvoir ainsi comprendre l’imagerie : notamment comment les images se forment, quelles sont leurs caractéristiques et que pouvons nous leur demander. Comprendre le passage du spin à l'image. Introduction: L'IRM et l'échographie sont deux méthodes d'imagerie qui n'utilisent pas de radiations ionisantes contrairement au scanner et à la radiographie. C'est une technique d'imagerie en plein essor actuellement.L’IRM utilise les propriétés magnétiques du corps. Il n’y a donc pas d’effet délétère sur ce dernier. Çela nous permet donc d'assouvir le fantasme d'Hippocrate: « Voir à l’intérieur du corps sans le nuire » (Hippocrate 460-370 avant J-C) » C'est la tendance générale qui nous vient des États-Unis: de plus en plus, on essaie de substituer à la méthode d'imagerie qui est totalement inoffensive, c'est-à-dire à l'IRM et à l'échographie. I. Généralités • L’IRM est l’imagerie de l’atome d’hydrogène. Ce dernier est présent dans la molécule d’eau qui constitue 75% du corps humain. • Chaque atome d’hydrogène est constitué d’un électron et d’un proton. Chaque atome peut donc être assimilé à un petit aimant avec un pôle positif et un pôle négatif (c'est ce qu'on va utiliser comme propriété magnétique) et dont le pôle négatif serait représenté par l’électron unique. • Ces petits aimants que l’on va appeler des spins vont être disposés dans l’espace, vont tourner sur eux même et s’orienter de manière aléatoire. Conf schéma ci dessous. • En IRM, on va donc créer un champ magnétique B0 très puissant: dix mille fois plus puissant que le champ magnétique terrestre. • Comme tout champ magnétique, B0 va comporter un pôle positif et un pôle négatif. Il y aura donc une interaction entre les spins (= petits aimants) et le champ magnétique B0. • Tous ces petits spins (qui sont représentés par un atome ayant un pôle négatif et positif) vont s’aligner dans l’axe de B0 et perdre leur disposition aléatoire. Ils s'alignent, mais ils ont comme particularité de ne pas rester immobiles. •En effet les spins vont tourner autour de l’axe B0 et autour d'eux même, c’est ce que l’on appelle le mouvement de précession. Vous avez symbolisé ici l'axe du champ magnétique B0 ainsi que l’axe de notre spin. Le spin au lieu de s’aligner bêtement dans l’axe de B0, va tourner comme une toupie autour de ce dernier. C’est donc le mouvement de précession. • Ce mouvement de précession qui ressemble au mouvement d’une toupie (cette vitesse rotatoire) s’exprime de la manière suivante: W0= γ.B0 -B0 est le champ magnétique (s’exprime en tesla.) Correspond à la puissance du champs magnétique. NB: le tesla est l'unité des champs magnétiques. -W0 est la fréquence de précession des spins, elle correspond à une vitesse angulaire (nombre de tours par seconde). C'est en quelque sorte une vitesse de rotation. -ϒ est le rapport gyromagnétique caractéristique du noyau étudié. NB: Chaque noyau a son propre rapport gyromagnétique. • Pour le proton, Y est de 42.57 MhZ/T. Dans un champs magnétique le 1 tesla, W est docn de 42,57MHz. En mécanique quantique il existe deux positions d’alignement (deux populations) possibles pour les spins : 1. Dans le sens de B0 (ou de l'aimant, c'est-à-dire le pôle positif dans un sens et le pôle négatif dans l'autre sens) 2. Dans le sens inverse de B0. • La proportion de spins orientés dans le même sens que B0 est nettement supérieure. (Sinon on aurait un problème, on n'aurait pas de valeur de vecteur.) Le rapport entre les deux populations de spins est l’ordre de 6/100 000. • La résultante de tous ces moments magnétiques est donc un vecteur parallèle à B0. C’est comme ci la somme de tous les petits aimants allait donner un gros et même aimant (représentant le corps qui a été magnétisé), lui même orienté dans le même sens que B0. • Les deux groupes de spins (parallèles et anti parallèles) vont interagir avec B0. Il va en résulter une énergie d’interaction pour chaque groupe. • La différence d’énergie entre les spins parallèles (groupe principal) et anti-parallèles (petit groupe paradoxal) s’exprime suivant l’équation suivante (à ne pas retenir) : -h est la constante de Planck h = 6,62. 10-34 J.s • On constate donc que cette différence d’énergie est proportionnelle à B0 (B0 étant au dessus de la fraction) : Plus on aura un champ magnétique B0 important, plus la différence d'énergie entre les deux populations va être importante et plus on aura un signal intéressant à exploiter. D'où l’intérêt d’obtenir un champ magnétique le plus puissant possible. C'est pourquoi on a tendance à évoluer en utilisant des aimants de plus en plus puissants. On a commencé avec des machines capables de générer un champ magnétique de 0,5T et maintenant l’on est à du 3T. • Les spins situés dans le champ B0 tournent dans l’axe de B0 mais gardent leur indépendance. Certains penchent à droite d’autres à gauche de manière aléatoire, on dit qu’ils ne sont pas en phase. Si on décompose cela en fonction vectorielle, on aura un vecteur principal qui représente l’aimantation du corps (l’association des petits spins faisant finalement un gros aimant) qui lui est bien aligné verticalement dans le sens de B0. On ne pourra pas voir si il existe une composante transversale lorsqu’on applique uniquement B0, car un spin qui penche à gauche compensera un spin qui penche à droite. Si on s’intéresse à l'aimantation transversale correspondant à la résultante de la somme des différentes aimantations de tous les spins, comme cette orientation est aléatoire, la résultante va être nulle. Et c'est justement là qu'intervient le principe de la résonnance. II) Le principe de résonance. C'est un principe physique qui va se retrouver dans beaucoup de cas de figure. • Pour que deux systèmes échangent de l’énergie il faut qu’ils soient en résonance. Exemple des diapasons: Parmi une série de diapasons, un diapason accordé sur le LA n’excite que le diapason qui donne la même note que lui. Lorsqu'on fait vibrer le diapason accordé sur le LA, il ne transmet ses vibrations qu’au diapason qui est accordé sur la même note. Les autres diapasons ne vont pas recevoir d'énergie. Il va y avoir un transfert d'énergie car les deux systèmes sont similaires et accordés sur la même fréquence. Transposition du principe sur le fonctionnement de l'IRM: On avait appliqué un champ magnétique B0. Et maintenant donc la grand majorité de nos spins sont orientés dans le sens du champs magnétique B0. Cependant ils ne sont pas en phase. On applique un deuxième champ magnétique B1 dans le plan perpendiculaire à B0 qui aura les propriétés suivantes : - B1 sera 106 fois plus faible que B0. - B1 sera un champ magnétique tournant (contrairement à B0 qui était fixe). - la vitesse de rotation de B1 sera égale à la vitesse de précession (=vitesse de rotation) des spins (=42,57 millions de tours par seconde). - cette fréquence de rotation sera appelée: fréquence de LARMOR elle est égale à γ.B0 Là, on retrouve l'analogie avec les diapasons, les deux systèmes sont accordés sur la même fréquence: On rentre dans le phénomène de résonance et on a un échange d'énergie. Le premier système physique étant les spins qui tournent autour de B0 et le deuxième étant le champ magnétique B1 tournant à la même vitesse que les spins. Les protons sont en phase . Grâce à la concordance des fréquences, les spins et B1 vont entrer en résonance. Du fait qu'on ait mis le champ magnétique B1, les spins ne sont plus répartis de manière aléatoire mais ils sont tous exactement dans la même position au niveau de leur mouvement de précession: ils vont tous tourner en même temps. • On dit alors que les spins sont en phase. C'est une mise en phase. (Ils vont tous s’aligner sur le champ magnétique B1 qui tourne à la même vitesse que ces derniers. Et nous aurons l'apparition d'une résultante magnétique qui ne sera pas nulle) On a vu tout à l’heure que les spins ont la mauvaise habitude de ne pas rester figer dans le champ magnétique appliqué, en effet ils tournaient comme des toupies lorsqu’ils étaient sous l’influence de B0. Le problème sera le même avec B1 : Ils vont tourner avec B1, mais également autour de B1. • Les spins vont alors présenter un mouvement complexe car ils vont présenter un double mouvement de précession autour de B0, et autour de B1. (Ils restent toutefois alignés dans le champ magnétique B0 mais ils vont en plus tourner en accord avec B1 grâce au phénomène de résonance.) En effet dés qu'un proton est soumis à un champs magnétique il est influencé par ce dernier, cela vaut aussi pour plusieurs champs magnétiques. Les spins tournent autour de B0 et autour de B1 (2 mouvements de rotation). B1 tourne aussi, donc ça fait 3 mouvements. • Pour pouvoir visualiser ce mouvement complexe il faut prendre comme référentiel le plan tournant du champ magnétique B1. Analogie du manège : quand on regarde de l’extérieur le mouvement d’un cheval de bois sur un manège, celui-ci est complexe. Car s’associent la rotation du manège et la translation du cheval de haut en bas. Par contre si on se place sur le plateau du manège, seule est perçue la translation: le cheval de bois ne fait plus qu'un seul mouvement, on s'est affranchi de la rotation. On considère donc pour nous, que le plan du manège sera le plan du champ magnétique B1 tournant, et on va se placer sur le plateau du manège, et s'affranchir du mouvement de B1. On va s'affranchir finalement de ce phénomène tournant, et on va se focaliser sur la bascule du vecteur d'aimantation dans le plan du champ magnétique B0. On va alors pouvoir se représenter le mouvement des spins par une simple bascule des spins par rapport à l'axe de B0. Cette bascule étant secondaire à l'apparition de l'aimantation transversale, aimantation transversale elle même due à la mise en phase des spins. Les spins aussi ont plusieurs mouvements qui s'intriquent. • Dans cette représentation, le mouvement des spins est représenté par une simple bascule du vecteur d'aimantation par rapport à l’axe B0, (on observe tout de même que le spin tourne toujours sur lui même dans l'axe de B0.) qui résulte de l’apparition d’une aimantation transversale. Cette aimantation transversale étant elle même due à la mise en phase des spins dans le champ B1. En représentation vectorielle nous avons donc après l'application du champs magnétique B1: Plan xy= plan de B1 Axe z= correspond au plan du champs magnétique B0 Mx Mxy • Le vecteur M qui représente l’aimantation du corps (l’assemblage des petits spins). Il correspond aux spins ayant basculé sous l’effet du champ B1, il va donc pouvoir se décomposer en: -un vecteur Mz correspondant à l'aimantation longitudinale et qui est dans le plan de B0 -un vecteur Mxy correspondant à l’aimantation transversale et qui est dans le plan de B1, donc perpendiculaire à l'aimantation de B0. Quand on n'a pas encore appliqué le champ magnétique B1, les spins sont dans l'axe de B0: on a uniquement un vecteur longitudinal Mz. Lorsque l'on met les spins en phase (lors du phénomène de résonance), la conjonction de tous les petits pôles positifs et négatifs des spins va faire apparaître un autre vecteur: le vecteur d'aimantation transversal Mxy. Le vecteur résultant de la somme de ces deux vecteurs Mz et Mxy est le vecteur M. Le vecteur représentant le spin va donc basculer quand on va appliquer B1. III) Enregistrement du signal. Suivant une loi physique, un aimant qui se déplace devant une bobine électrique va induire la création d’un courant électrique dans cette bobine. A connaître C’est grâce à cette propriété physique que l’on va pouvoir enregistrer les mouvements des spins. La bobine qui va nous servir de récepteur est positionnée dans le plan du champ magnétique B1. Et l'aimant sera représenté par un les protons qui on le rapplele sont assimilables à des aimants. Rappelons : - Z : représente le plan du champ magnétique B0. - Xy : représenté par la sphère, représente le plan du champ magnétique B1. Vous avez ici votre champ magnétique B0 et le champ magnétique B1 tournant. - Flèche rouge: Au début, vecteur aligné dans BO - Flèche jaune: A la mise en phase des spins dans le champ magnétique B1, le vecteur va basculer. On va enregistrer tout ça grâce à notre bobine. L'aimant représenté par l'aimantation transversale va tourner devant la bobine, ce qui va induire un courant électrique, qui va ensuite être enregistré: on saura donc comment se déplacent les spins (et donc le signal IRM) dans le plan transversal uniquement (pas dans le plan longitudinal!). On aura des informations sur comment tourne le spin et quelle est l'intensité du vecteur qui tourne devant cette bobine. C’est grâce à ce phénomène physique que l'on va recueillir le signal pour former une image. La bobine va enregistrer un signal complexe résultant du mouvement complexe des spins. La bobine a une double fonction, elle : - enregistre le signal - sert à produire le champ magnétique B1 grâce à une onde de radio fréquence. APARTE Car il n'existe aucun principe physique, aucune machine qui permet de faire tourner un champ magnétique à 42 millions de tours par seconde. Donc grâce à une onde de radiofréquence, on abouti à la formation d'un champ magnétique qui a la même fréquence que l'onde de la radiofréquence. La bobine est donc émettrice (du champ B1) et réceptrice du courant électrique dû au mouvement du vecteur devant cette dernière (on comprend mieux l’intérêt de l’utilisation de la propriété physique comme quoi : un aimant tournant devant une bobine produit un courant électrique.) Il faut savoir donc que la bobine, en envoyant une onde de radiofréquence, va permettre de créer un champ magnétique B1 qui va tourner aussi vite que les spins et qui va les mettre en résonance. Le signal va avoir un aspect grossièrement sinusoïdal mais anarchique. Il va falloir décortiquer les informations de ce signal électrique. Ces informations correspondant au conséquences de la création de B1 sur les protons. • Du fait qu'il y ait plusieurs mouvements, il existe un outil mathématique qui va nous permettre de décomposer ce signal incompréhensible détecté par la bobine afin de le rendre clair : il s’agit de la transformée de FOURIER. Cet outil mathématique permet de décomposer toute fonction périodique en une somme de sinusoïdes simples de période plus ou moins longue. Ce signal qui semble anarchique (du fait que le spin bouge dans beaucoup de plan) peut être décomposé en plusieurs signaux qui eux sont tout à fait réguliers et qui correspondent à une fréquence donnée (une sinusoïde simple ayant une fréquence simple qui est quantifiable mathématiquement). Cette fréquence va pouvoir être déterminée par la machine. On va donc exploiter physiquement ce signal électrique. On transforme donc un signal anarchique en un signal exploitable et mesurable mathématiquement. IV) La relaxation Reprenons depuis le départ : 1) On applique le champ B0, les spins se sont alignés. 2) On applique le champ tournant B1, les spins basculent dans le plan B1, ils se mettent en phase.Donc le vecteur d'aimantation a basculé. On a une Bascule du vecteur. 3) Maintenant On arrête le champ magnétique tournant B1, retour l’équilibre • Lorsque l'on supprime le champ magnétique B1 (dû à l'onde de radiofréquence émise par la bobine), les spins vont revenir à leur état d’équilibre dans le champ B0. Ils vont se remettre parallèles à B0. Sur le plan vectoriel le vecteur Mz augmente. Cela s’appelle la relaxation. Deux mécanismes vont de produire en même temps: 1) Les spins qui étaient en phase vont se remettre à se séparer progressivement pour retrouver l'anarchie du début où ils sont répartis de manière aléatoire dans le plan de B1 : C'est le déphasage des spins dans le champ magnétique B1 2) Le vecteur des spins (dû aux vecteurs d'aimantations longitudinale et transversale) ayant basculé va retrouver sa position d'origine et revenir dans la position de B0: C'est la repousse du vecteur d'aimantation longitudinal. On aurait pu croire que ces deux mécanismes sont l'un la conséquence de l'autre, mais c'est plus compliqué que ça. Effectivement, le fait que l'aimantation transversale régresse n'est pas la seule cause qui fait redresser le vecteur d'aimantation longitudinale. La repousse longitudinale est aussi sous l'influence de facteurs intrinsèques. · · Sur le plan physique cela correspond à la réapparition du déphasage des spins dans le plan transversal. Sur le plan vectoriel le vecteur Mz augmente et le vecteur Mxy diminue jusqu’à s’annuler. La relaxation après suppression de B1: Lorsque l'on coupe B1, le vecteur d'aimantation des spins qui était dans le plan transversal se met à remonter avec une repousse longitudinale (du vecteur longitudinal) et une régression du vecteur transversal. - La variation croissante de la projection longitudinale (vecteur Mz) s’appelle la relaxation longitudinale (=repousse du vecteur qui est dans l'axe de B0) - La variation décroissante de la projection transversale (vecteur Xy) s’appelle la relaxation transversale (= régression du vecteur qui est dans le plan du champ magnétique B1 dû à la remise en déphasage des spins puisqu'ils ne sont plus sous l'influence de B1) La repousse du vecteur M est donc la sommation de la relaxation longitudinale et transversale qui sont deux mécanismes physiques indépendants l’un de l’autre. Question d’élève ( ronéo 2014) : Le vecteur Mxy, il augmente t il ou diminue t il ? Réponse : Mxy diminue puisqu’il représente l’aimantation produite par la mise en phase des spins. Puisqu’ils sont tous ensembles, cela créé un vecteur d’aimantation. Quand on coupe B1, les spins retournent à l’état naturel, ils vont chacun tourner de leur coté. La résultante va donc s’annuler. Mxy diminue et Mz augmente. V) Le T1 et le T2. 1) Définitions. Par convention on appellera T1 le temps que le vecteur d'aimantation longitudinal Mz (qui est dans l'axe de B0) prend pour atteindre 63% de sa valeur d’origine dans le champ B0 isolé (au tout début avant que l'on mette B1). Par convention on appellera T2 le temps que le vecteur d'aimantation transversale. Mxy prend pour perdre 63% de sa valeur d’origine lorsqu’il était sous l’influence des champs B0 et B1, c'est-à-dire quand le vecteur était complètement à l'horizontal, basculé dans le champ de B1. Tout cela n'étant que pure convention permettant d'avoir une donnée chiffrée, qui va permettre de caractériser la relaxation longitudinale et la relaxation transversale. On définit ces deux paramètres T1 et T2 car chaque tissu dans le corps ne va pas réagir de la même façon. Chaque tissu va avoir sa propre courbe de spin, et qui va remonter, qui va se mettre en résonance, va se mettre en relaxation. Et chaque groupe de spin dans chaque organe, dans chaque tissu du corps va réagir à sa propre manière. Pour pouvoir individualiser ces différents groupes, ces différents tissus, il faut qu'on les caractérise, qu'on caractérise leur courbe. On va donc caractériser leur courbe : - de repousse longitudinale, - de régression transversale. T1 et T2 permettent de chiffrer la morphologie de la courbe et sont spécifiques d'un tissu. La repousse longitudinale se fait de manière exponentielle : Ici est symbolisée la courbe qui correspond à la repousse du vecteur Mz. Le vecteur repousse progressivement selon une courbe exponentielle, le temps qu’il prend pour atteindre 63% de cette valeur sera appelé T1. Cette courbe exponentielle qui est la traduction de la repousse du vecteur Mz peut également s’exprimer selon la formule : (à ne pas retenir): La décroissance de la composante transversale (lié au déphasage des spins dans le plan de B1 qui a été coupé) se fait de manière exponentielle suivant la formule suivante , Chaque tissu va avoir sa propre courbe, et pour les caractériser, on va utiliser le T2: le temps que prend le tissus pour perdre 63% et donc être à 37% de la valeur d'origine. Cela correspond à la fonte du vecteur Mxz. Qu’on appellera le T2. Cette notion de T1 et de T2, c'est simplement pour mettre un chiffre sur chaque courbe. Chaque courbe va ensuite nous donner des informations sur chaque tissu. 2) Le T1 Dans le corps humain chaque tissu a un T1 caractéristique: c'est ce qu'on va utiliser pour faire de l'image. Les courbes vont être différentes, et comme les images sont produites grâce à cette courbe, on saura différencier les tissus entre eux. Le T1 est d’autant plus petit que les noyaux d’hydrogène sont liés à des molécules de grande masse molaire. C'est juste pour comprendre pourquoi chaque tissu possède des T1 et T2 différents. C'est à cause de relations physiques comme celles-là qu'on a des T1 différents selon les tissus: La molécule d'eau ne va pas être dans le même environnement moléculaire selon qu'elle est dans un foie ou dans un muscle. Valeurs de T1 pour quelques tissus, ce qui signifie une courbe différente. Ex: Graisse: la courbe exponentielle de la relaxation longitudinale des protons situés dans la graisse est telle qu’à 240ms, on est à 63% de la repousse longitudinale. T1 est relatif à une relaxation longitudinale (repousse du vecteur dans le plan de B0) Cette repousse est sous l'influence des inter-relations entre le spin et le réseau c'est-à-dire que ces inter-relations conditionnent la manière et la vitesse à laquelle le vecteur d'aimantation longitudinale va repousser (par réseau, on entend tout ce qui entoure, au niveau du corps et du champ magnétique). Cette relaxation longitudinale est donc appelée relaxation spins/réseau. 3) Le T2 La relaxation transversale qui correspond au déphasage des spins (lorsqu’on enlève B1) dans le plan transversal est due à l’interaction des spins entre eux. Les spins vont se re-répartir de façon anarchique. De ce fait, l'aimantation transversale résultante de la somme de ces petits vecteurs va diminuer (courbe exponentielle descendante). C’est pourquoi cette relaxation est également appelée relaxation spins/spins. Il correspond à l’interaction des spins entre eux, qui est différente en fonction des tissus également. Cette inter-relation très proche des spins les uns à côté des autres conditionne la manière et la vitesse à laquelle les spins vont se déphaser pour sortir de l'état de résonance dans lequel ils étaient lorsqu'on avait appliqué le champ magnétique B1. Cette relaxation est nettement plus rapide que la relaxation longitudinale. (T2 est donc toujours inférieur à T1). Comme on le voit ici, on n'est pas du tout dans le même ordre de valeur. Finalement, grâce à ces deux mécanismes de relaxation (relaxation longitudinale et relaxation transversale), on va pouvoir analyser chaque tissu En résumé: La repousse du vecteur longitudinal est conditionnée par l’inter-relation des spins avec le réseau (spin/réseau) La régression du vecteur transversal est conditionnée par les inter-relations des spins entre eux (spin/spin) Donc l’évolution du vecteur général des spins représentant l’aimantation des spins sera sous l’influence de ces deux phénomènes. Il va falloir ensuite trouver des artifices pour décomposer le signal et extraire l'information T1 et T2. On a envie d'avoir des images qui vont donner les caractéristiques des tissus suivant leur T1 et les caractéristiques des tissus suivant leur T2. C'est ce qu'on va appeler les images pondérées en T1 ou pondérées en T2. Cependant, on ne sait pas encore comment faire pour exploiter, pour dissocier ces deux informations. 4) Transcription au niveau de l'image. Transcription du T1 On retrouve ici une courbe exponentielle correspondant à la repousse du vecteur longitudinal. Chaque tissu a sa propre courbe c’est pourquoi chaque tissu a son propre T1. Voilà deux tissus qui ont des vitesses de repousse différentes puisqu'ils ne sont pas sous le même environnement et sous la même influence spin-réseau. On va, au moment correspondant à la ligne rouge, regarder le signal de ce tissu. On va transcrire sur une image ces informations. On va regarder la valeur du vecteur. On observe que la repousse du vecteur de l'huile a nettement plus progressé que la repousse du vecteur de l'eau. Le travail de la machine sera alors de transcrire cette information sous forme visuelle. Elle analyse théoriquement l'ensemble des pixels de l'image. Conventionnellement on va dire: - le tissu qui a le moins de signal sera attribué à un pixel de couleur noire. (cas de la courbe bleue) 50% de repousse le tissu qui aura le signal le plus important sera attribué à un pixel de couleur blanche. (courbe verte) 75% de repousse On va ensuite étaler notre échelle de gris entre le blanc et le noir. Tous les tissus qui seront situés dans cette fourchette vont être schématisés. On va pouvoir finalement, en regardant sur notre image, avoir une transcription sous la forme de pixels noirs et de pixels blancs d'une information, qui elle-même est la résultante de la courbe de repousse longitudinale du tissu et donc du T1 du tissus. Transcription du T2 Rappel: Le T2 est un chiffre qui permet de caractériser la pente plus ou moins forte de la courbe exponentielle. Il correspond à la régression de l'aimantation transversale lorsque l'on coupe B1. Le vecteur d'aimantation va rapidement régresser car les spins se déphasent (du à l'inter-relation spin/spin). Cette relaxation transversale est représentée par cette courbe exponentielle décroissante. Comme les spins ne sont pas dans les mêmes conditions entre eux dans les différents tissus, chaque tissu va avoir une courbe propre de régression de son aimantation transversale. Suivant le même principe, les différences de T2 des tissus vont être visuellement retranscrites sur une échelle de gris. Le tissu bleu et le vert ont des pentes de courbe de régression transversale différentes, ils ont leur T2 propre. Comme pour tout à l'heure, on va mettre en place un petit système de transcription visuelle pour pouvoir faire apparaître sur une image sous forme de pixels blancs et noirs les caractéristiques différentes des tissus suivant le caractère plus ou moins pentu de leur courbe, donc selon la différence de leur T2. Ici, au moment rouge, on décide de regarder ces deux tissus. Le tissus bleu a une courbe moins pentue, donc son signal (ou son aimantation transversale) a moins régressé alors que le tissus vert a une courbe plus pentue, la décroissance est plus brutale à cause des inter-relations des spins entre eux. Le tissu vert a un signal inférieur au bleu-gris. Comme avec T1, par convention: - signal le plus important au moment rouge = pixel blanc (T2 long) - signal le plus faible = pixel noir. (T2 court) Les autres tissus entre les deux = niveaux de gris. On a donc la possibilité de transcrire l'analyse des différents tissus composés dans un volume de corps humain uniquement suivant la différence de leur courbe de décroissance transversale et donc suivant leur T2. L'image obtenue est dite pondérée en T2. Cela permet de faire passer une information physique à une information intellectuelle grâce à la traduction de l'image ne échelle de gris. VI) Les différentes séquences d'acquisition de l'image. 1) Définitions C'est la manière dont on va dissocier les informations T1 et T2 du spin qui est en train de repousser. Pour cela, on va mettre en place une séquence: La séquence est donc un protocole (ou une modalité) d’excitation et de recueil des informations qui va permettre de faire ressortir des informations représentatives du T1 ou du T2 des tissus. Pour comprendre comment marche une séquence, il y a deux notions qu'il faut connaître: Deux paramètres vont permettre de caractériser une séquence : le TR et le TE. Le TR est le temps de répétition En effet pour obtenir un signal exploitable on va faire plusieurs bascules successives du vecteur M. Le TR exprime le temps qui s’écoule entre deux excitations, donc entre 2 bascules. Il sert à donne une information sur la repousse longitudinale, donc en relation avec le T1. Ce qui se passe c'est que quand on le rebascule, il n'a pas la même valeur qu'initialement, il sera plus court vu qu'on l'a fait basculer avant son état d'origine. Du temps s'est écoulé. Pourquoi faire ça ? Car on veut analyser comment il repousse. On aura alors après le TR, un vecteur dont la valeur sera proportionnelle à la valeur de la vitesse à laquelle le vecteur aura repoussé. En soit : On effectue une bascule initiale en activant B1 pour la première fois. Le vecteur devient nul dans le sens de B0. Il apparaît dans le plan de B1, l'aimant mesure la valeur de ce vecteur. On laisse s'écouler un temps. Pour connaître la valeur du vecteur dans le sens de B0, donc indirectement pour connaître la repousse longitudinale, on effectue à nouveau une bascule (on rallume B1) et on mesure la valeur du vecteur d'aimantation transversale. On compare cette valeur à celle mesurée lors de la première bascule . C'est ainsi que l'on peut évaluer la repousse longitudinale. Le TR nous donne la fréquence à laquelle il faut rebasculer le vecteur M. Donc grâce à ce TR, on va pouvoir déterminer dans un tissu comment est le vecteur. On obtient une information exclusivement relative à la repousse longitudinale et par conséquent exclusivement en rapport avec le T1. Le TE est le temps d’écho. Il correspond à le temps auquel le récepteur va analyser le signal. C'est le temps qu'on laisse s'écouler avant d'enregistrer le signal. C'est le temps qui s'écoule entre le moment où on coupe B1 et on fait l’acquisition. Lorsque l'on coupe l'aimantation transversale B1 les courbes vont évoluer dans le temps, les vecteurs se mettent à bouger et des mécanismes se produisent. A un certain temps, on va enregistrer le signal: C'est le TE. C'est le temps où on écoute l'écho. Il n'ya pas besoin d'artifices pour mesurer la relaxation transversale, la bobine qui crée B1 est située dans le plan. On utilise alors directement TE. On a notre vecteur à 90° suite à B1, la relaxation transversale est beaucoup plus rapide que la relaxation longitudinale. Juste avant on disait que suite au TR, on rebalance à 90° et là on enregistre de suite le signal à l'aide de la bobine. Ici, on ne va pas enregistrer de suite. Comme la relaxation longitudinale se fait plus lentement, on attend une toute petite durée de temps entre 20 et 80ms pendant lequel pleins de petits spins qui étaient en phase grâce à B1 vont se déphaser. Il y aura donc une modification du vecteur. Ce temps sera appelé TE. Illustrons à l'aide de l'exemple précédent avec notre vecteur de 13cm. On met un champ B1 qu'on coupe par la suite, le vecteur longitudinal repousse pendant le TR, on rebascule à 90° et là on ne mesure pas de suite mais on attend un peu avant d'enregistrer le signal. Ce temps d'attente est le temps TE. Et là par exemple on enregistrera un vecteur à 6cm au lieu de 9cm. La bobine ne peut enregistrer uniquement que la composante transversale de l’aimantation. Ainsi grace au TR et au TE , on arrive à avoir une information soit relative à la relaxation longitudinale ou transversale, ainsi créer une image T1 ou un image T2. (A noter que le TE sera toujours plus court que le TR.) Le paramètre TE nous permet d’enregistrer les informations relatives à la décroissance du vecteur transversal. Question élève : Comment fait-on pour connaître uniquement la valeur de la repousse longitudinale. Comment fait-on pour différencier les deux informations que nous apporte la bobine ? Réponse : Tout simplement parce que l'on va « écouter » tout de suite. C'est grâce au TE. Supposons que je veuille uniquement savoir la valeur de la repousse longitudinale. Alors quand je fais plusieurs répétitions, à la dernière répétition j’écoute tout de suite sans s’attendre. Cela veut dire qu’il n’y a pas eu de TE. Cela veut dire que le temps de fonte du vecteur transversale n'a pas eu le temps de se faire. Donc je n'aurai que l'information T1. 2) Influence du TR sur la séquence. Dans la séquence on va pouvoir faire plusieurs types de TR. Selon le TR qu'on va donner, on aura telle ou telle information. Vous retrouvez notre courbe de repousse longitudinale dans le plan de B0: Elle est donc ascendante. Ici on a plusieurs courbes, ainsi plusieurs T1. Plus le T1 est loin, moins la courbe est pentue. On va choisir un moment où les tissus sont les plus dissociés possibles. (Si on attend qu'ils soient tous repoussés, ils vont tous être pareils, ça ne nous intéresse pas car on ne pourra pas dissocier les différents tissus.). On va rebasculer nos deux vecteurs qui auront une valeur différente l'une de l'autre. Par exemple un fera 9cm et l'autre 6cm, on pourra alors bien différencier les tissus. Si on attend longtemps, si le TR est long, on aura tellement attendu que même s'ils ne seront pas à la même vitesse, ils seront tous les deux à 9cm. Une fois de plus, aucun intérêt pour différencier les tissus selon leur T1 (car chaque tissu a son T1). Ce qui veut dire que : - Si le TR est court (400 à 600 ms) les spins ne sont pas revenus totalement à leur état d’origine. On ne laisse pas le temps au vecteur de trop repousser, les spins sont en pleine remontée. Grâce à un TR court, on se donne le moyen de différencier le caractère plus ou moins pentu des différentes courbes, et donc des différents tissus, et en fonction de leur caractéristiques T1. On dit que le TR court permet de donner un contraste T1. Il permet de favoriser le caractère T1 des tissus.(Bien retenir) Comme chaque tissu a un T1 différent on va alors pouvoir différencier ces tissus. Pour un TR court, les courbes vont être très divergentes : on va pouvoir dissocier les tissus de manière très significative d'après leur T1. - Si le TR est long (2000 ms) tous les spins sont revenus à leur état d’origine, on ne pourra donc pas différencier les tissus entre eux par leur T1. Les nuances de gris visibles sur les pixels ne seront pas détectables par l’œil humain. Par contre le signal sera proportionnel aux nombres de spins donc à la densité de protons (les hydrogènes de l'eau) : Ce qui est corrélé avec l’hydratation. Notre repousse longitudinale s'est effectuée et on a attendu très longtemps avant de faire la rebascule. Les courbes exponentielles se sont rejointes, tous les tissus ont déjà « repoussé » et auront le même signal. L'information sur la repousse longitudinale ne sera pas discriminante. Le TR long va donner un faible contraste en T1. Ainsi dans un tissu où on aura peu d'eau, on aura un petit signal alors qu'un tissu bien hydraté aura un signal plus puissant. C'est pour cela que si on prend un TR long, on n'aura plus une information caractérisée par le T1 des tissus mais permet une information sur l'hydratation du tissu. 3) Influence du TE Le TE est le temps auquel le récepteur analyse le signal. Le TE : c’est la décroissance du vecteur d’aimantation transversale liée au déphasage des spins. On se rappelle que lorsqu’on coupe le champ magnétique B1, les rotations transversales vont régresser relativement rapidement et cette régression se traduit par la courbe de décroissance exponentielle dont le paramètre est le TE. - Si le TE est court (20 à 30 ms), la relaxation transversale n’a pas encore suffisamment progressé pour différencier les tissus par leur T2. On a coupé notre champ magnétique B1 et on écoute tout de suite : tous les spins qui étaient ensemble ont commencé à se séparer un petit peu. Pratiquement tous les tissus encore en phase ont pratiquement le même signal, donc les courbes sont encore très proches l’un de l’autre et donc on n’aura pas une information discriminante sur les exponentielles descendantes. Résultat : pas une bonne information TE. Donc le TE court ne va pas donner un bon contraste T2 (on s’y prend trop tôt). Les spins ne sont pas encore déphasés entre eux. Donc TE court =pas de contraste T2. - Si le TE est long mais inférieur à 80 ms la relaxation transversale aura bien progressé. Le déphasage spins/spins sera suffisant pour bien différencier les tissus par leur T2.A retenir. On a coupé notre champ magnétique B1 pour les spins qui étaient en phase, ils se sont mis à se déphaser et comme on attend plus longtemps : chaque tissu va se déphaser différemment et on va regarder les courbes à un moment où les courbes sont beaucoup plus distantes l’une de l’autre. Différemment de tout à l’heure où les courbes étaient collées donc les tissus avaient le même signal. Ici, les courbes se sont séparées, car on a suffisamment attendu. De ce fait lorsqu’on va enregistrer le signal, il va nous donner une bonne information sur quelles sont les différences des courbes suivant chaque tissu, donc comment est différent le type de TE de chaque tissu. un TE long favorise un fort contraste en T2. Vous voyez que finalement avec notre TR et notre TE, suivant comment on va faire le T1 et suivant comment on va fixer le TE, on va pouvoir faire plusieurs types de séquences soit pondérer en T1, en densité de protons ou pondérer en T2. Ainsi le TR et le TE sont deux paramètres à bien prendre en compte, car ils permettent de comprendre quelles informations sont données par l’image. Résumé :Hyper important à retenir mais coule de source si on a compris le mécanisme. - TR court (environ 500 ms) et TE court (environ 20-30 ms) = pondération en T1 Lorsque le TR est court et que le TE aussi, on sera en pondération T1. Car TR court,les vecteurs n'ont pas tous eu le temps de repousser, donc en les mesurer on pourra les différencier selon leur T1. TE court pour ne pas être pollué par T2 : les spins de l’aimantation transversale lorsqu’on coupe B1, n’ont pas eu le temps de se déphaser, ils sont donc encore en phase. Lorsqu’on enregistre le signal, on va avoir une mesure qui va être discriminante, grâce au T1, sur la formation T1 et qui ne sera pas polluée par une information T2. Une séquence qui comporte un TR court et un TE court sera une séquence avec laquelle on va avoir une image où on aura que des informations T1. - TR long (à plus de 2000 ms) et TE court (20 à 30 ms) = pondération en densité de proton. TR long : les exponentielles des courbes se sont déjà rejointes donc on n’aura pas une bonne information discriminante sur le T1. Donc TR long = pas une bonne information en T1. Tous les tissus auront déjà repoussé quand on les bascule, ils ont tous le même vecteur d’aimantation donc impossible de les différencier. Résultat : pas d’information en T1. Mais une information sur la densité en protons et donc en eau. TE court : on se rappelle que l’aimantation probablement d’une transversale n’a pas eu le temps encore de se faire puisqu’on écoute très vite, les spins sont encore en phase, ils n’ont pas eu le temps de se déphaser. On n’est donc pas dans la phase de la courbe exponentielle descendante où les courbes sont écartées. Si les courbes ne sont pas écartées : les différents tissus vont avoir un signal relativement similaire donc pas une bonne information T2. - TR long et TE long (environ 80 ms) = pondération en T2. TR long : les courbes se sont déjà rejointes. On a tellement attendu avant de refaire notre bascule successive (notre temps de répétition) que toutes les courbes se sont rejointes donc tous les vecteurs de repousse longitudinale seront identiques donc on n’aura pas une bonne information en T1. TE long : on a attendu suffisamment longtemps, le déphasage des spins entre le plan d’aimantation transversale a eu le temps de se faire et donc on va pouvoir bien appréhender la différence des tissus. Liée aux différences des courbes exponentielles descendantes de la relaxation transversale qui correspond à la régression du vecteur d’aimantation transversale liée au déphasage des spins entre eux. Donc un TR long et un TE long va nous donner une pondération en T2. Vous voyez que simplement avec le TR et le TE, on va dire à la machine donne moi une image qui retranscrit l’information T1 ou T2 des tissus, ou la présence d’eau ou non dans les tissus. On arrive donc en jouant sur les deux paramètre TE et Tr on arrive à obtenir 3 types d'images : Une image qui fait ressortir les caractéristiques T1 des tissus. Une image qui fait ressortir la densité en eau des tissus. Une image qui fait ressortir la pondération T2 des tissus. Lorsqu’on a une séquence IRM sous les yeux, première chose à faire est de regarder le TR et le TE, on sait alors quel genre d’informations on va avoir sur l’image. Exemple : deux images (ci-contre), une en T1, l’autre en T2. Prenons le cas de la GRAISSE : elle a un T1 court comme la courbe rouge. La graisse va alors avoir un signal blanc, un signal élevé. L'EAU a un T1 long donc une courbe peu pentue. Si on fait une séquence T1 avec un TR court, le vecteur n'a quasiment pas repoussé. Donc on demande à la machine de mettre un pixel noir. Ainsi grâce au fait que la graisse et l'eau ont un T1 différent, on pourra les différencier sur l'image. Ceci est aussi valable pour le T2. Pour un T2 long (ex : l'eau), la courbe aura peu décru, donc le vecteur reste encore important, alors le pixel sera blanc. La corticale osseuse présente un hypo-signal car très peu d'eau dans le tissu. Il faut retenir le signal de quelques tissus caractéristiques. Eau à un T1 long et un T2 long La graisse à un T1 court et un T2 long Réfléchissons un peu : L'eau a un T1 long ce qui signifie que sa courbe ne sera pas très pentue. Donc son signal sera faible, donc il apparaitra en hypo-T1. Il a un T2 long, ce qui signifie aussi qu'en T2 sa courbe ne sera pas pentue aussi, on a un hyper T2. Dans le cas de la graisse,il apparaitra en hyper-T1(pixel blanc). Pour le T2 on sera comme l'eau en hyper-T2. Prenons un cas concret : l’encéphale Si T1 long : le signal va être plus faible. Si T1 court comme c’est le cas de la graisse alors le signal repousse plus vite donc on va avoir un hyper signal (par exemple la graisse qu’il y a dans le cuir chevelu). Grâce à ces différences de courbe de chaque tissu, on va pouvoir retranscrire visuellement l’information du T1 sous la forme de pixels dont le degré de gris sera différent en reprenant les fréquences de courbe dépendante. On va avoir bien entendu aussi l’information sur là ou il y a de l’eau et pas d’eau. Par exemple : On a au niveau de l'encéphale, la substance blanche qui à un T1 plus court que celui de la substance grise. On a un signal de la substance blanche plus fort que celui de la substance grise. Le LCR qui a un T1 encore plus long, lui apparaîtra carrément en noir. Regardons maintenant notre image, avec une analyse T2 et en Densité de protons (DP) T2 long : on va regarder un moment où les courbes sont bien séparées, lorsqu’on aura laissé le temps au T2 d’être suffisamment long pour laisser le temps aux courbes de se dissocier, aux spins de se déphaser. On remarque la substance blanche a un T2 plus court que celui de la substance Grise, de peu certes mais la différence existe. La substance blanche à un T2 plus court sa courbe sera donc plus pentue. Elle va perdre du signal plus rapidement que la Substance Grise. C'est ce que l’on retrouve au niveau de l’image. Le vecteur a « fondu » plus vite. Si on écoute à un moment t, le signal de la substance blanche sera inférieur à celui de la substance grise. Comme l’eau a un TE long, le signal reste encore important et donc de ce fait on va lui attribuer artificiellement un pixel blanc. Donc l’hyper signal lié au caractère peu pentu de la courbe, elle-même étant le reflet d’un TE long de l’eau se manifeste sous la forme de cet hyper signal du LCR. Donc TR long, TE court : ni d’infos en T1, ni T2 donc on a une info en densité de protons. C’est ce qu’on a ici, densité de protons donc dans le signal en densité de protons on va juste dire à la machine donne moi une image qui me dit où il y a de l’eau et en quelles proportions. Vous voyez que dans les ventricules cérébraux, il y a beaucoup d’eau car il y a du LCR. On remarque la substance blanche contient moins d'eau que la substance grise. Là, on n’est pas du tout sur une différence de gris liée à une information en T1 ou en T2. C’est uniquement le fait que la teneur en eau de ces deux tissus est différente contrairement à cette séquence T2. La séquence T2, on se rappelle que c’est une séquence pour lequel TR est long: les courbes se sont rejointes, pas d’infos sur la repousse longitudinale puisque tout le monde a repoussé. Par contre, on a attendu suffisamment longtemps pour que les courbes exponentielles décroissantes des différents tissus se séparent ce qui nous permet de distinguer de manière très simple et très visuelle la différence de signal des tissus. VII) Différents types de séquence Maintenant on va regarder différents types de séquence, qui rentrent en complément des séquences qui permettent d’obtenir des informations à propos de T1, T2 et la DP : 1) Les séquences de spin écho : Il faut savoir que lorsque les spins reviennent à leur état d’origine, cette repousse va se faire suivant les caractéristiques du tissu, mais va également être influencée par les hétérogénéités de B0. Il faut se souvenir qu’une fois que B1 est coupé c’est B0 qui influence les spins et on a un retour à l’état initial. Ce qui veut dire que le même tissu suivant qu'il va être sous l'influence de B0 ou B0* ou B0**, et bien il ne va pas repousser de la même manière. La vitesse de repousse va être influencée. Question élève : Ces hétérogénéités sont causées par la machine ? Réponse: Oui ce sont des hétérogénéités de champs, qui n'est pas lié à un défaut de la machine mais plutôt aux limites techniques actuelles. Les séquences en spin écho vont permettre de s’affranchir des hétérogénéités de B0. B0 est hétérogène or on se rappelle que la vitesse de précession des spins est égale à B0 que multiplie le facteur gyromagnétique. Cela veut dire que s’il y a deux valeurs de B0 différentes dans le même tissu, le même spin, dans cet environnement va tourner à une vitesse différente et cela va induire une perturbation dans nos informations. On souhaite des infos qui sont purement la traduction des caractéristiques T1 du tissu sans avoir les perturbations liées aux hétérogénéités du champ magnétique B0. Pour cela on va utiliser un artifice technique qui s’appelle le rephasage des spins à 180°. Cela est possible grâce à l’utilisation d’un artifice technique correspondant à une bascule de rephasage des spins de 180°. Techniquement on réalise une première excitation avec une bascule à 90° des spins, puis au temps TE/2 on réalise une bascule de rephasage à 180° des spins. Cette deuxième bascule gomme les hétérogénéités du champ B0. Puis on écoute à TE. Jusqu’alors on n’avait pas fait ce genre de bascule, on avait fait une bascule à 90° et puis on attendant le temps TE et on enregistrait. Maintenant, on va faire une bascule supplémentaire, une bascule à 180° et c’est grâce à cette bascule qu’on va pouvoir effacer les hétérogénéités du champ magnétique. Cette deuxième bascule gomme les hétérogénéités du champ B0. Pour comprendre comment marche une bascule de rephasage des spins, il faut prendre la métaphore du lièvre et la tortue : Un lièvre et une tortue décident de faire une course. Bien sûr le lièvre et la tortue ne courent pas à la même vitesse. Le départ est donné. Au temps T0, le lièvre est situé en avant de la tortue. A T0 on ordonne aux deux coureurs de faire demi-tour. Le lièvre certes court plus vite que la tortue, mais comme il est allé plus loin il a plus de chemin à faire en retour. Ce qui fait que finalement les deux vont arriver en même temps sur la ligne de départ. C'est le même principe que l'on utilise dans cette séquence de rephasage des spins. Dans la réalité, le lièvre et la tortue sont représentés par des spins qui vont posséder, même s' ils sont dans un même tissu, des vitesses de repousse différentes, et donc un signal différent. On va donc à TE/2 faire une bascule à 180°( cela correspond au demi-tour que l'on demande de faire au lièvre et à la tortue), les spins vont alors se comporter comme les animaux de la métaphore, et au final bien qu'ils n'aient pas parcouru la même distance, on aura finalement un signal homogène à TE. Note du ronéiste Je laisse la copie de la métaphore du ronéo 2014 au cas où elle serait plus claire pour certain(e)s. A un temps T après le départ, le lièvre et la tortue n’ont pas parcouru la même distance. On leur donne alors l’ordre de faire demi-tour. Au temps 2T, ils arriveront en même temps bien qu’ils n’aient pas parcouru la même distance. Dans cet exemple, le lièvre et la tortue représentent le comportement différent de deux spins imputable aux hétérogénéités de B0, et l’ordre de faire demi-tour correspond à la bascule à 180° de rephasage. Les animaux font la course, la tortue arrive au temps TE/2. A ce moment-là, on fait une photo et on voit où sont situés le lièvre et la tortue. Evidemment, comme ils ne courent pas à la même vitesse, ils ne sont pas situés au même endroit. On leur dit ensuite stop et de repartir en sens inverse. Le problème est que comme le lièvre a couru plus vite la première fois, il part de plus loin. La tortue, elle est peu loin. Donc, quand au temps TE/2 ils reviennent, ils en reviennent à la ligne de départ au temps TE. Le temps d’aller étant égal au temps de retour, il se passe que comme le lièvre est parti de plus loin, il a eu plus de chemin à parcourir et les deux arrivent en même temps. Notre ordre de faire demi-tour c’est la bascule de rephasage à 180°. Et la différence de vitesse à laquelle se déplacent le lièvre et la tortue, c’est la différence de vitesse de rotations des spins sous l’influence du champ magnétique B0 (artifice très simple). On tente de le schématiser sous la forme d’un schéma, au niveau des spins. On a donc notre plan de champ magnétique B0 et B1 puis on coupe B1 et on regarde comment cela se passe. Les spins vont se mettre à tourner, normalement deux spins qui sont dans les mêmes caractéristiques de tissus doivent se déplacer à la même vitesse. Le problème c’est qu’il y en a un qui va être sous le champ magnétique B0, et l’autre va suivre le champ magnétique B0’. Les deux champs magnétiques étant différents, les vitesses de rotation des spins vont être différentes, non pas à cause de leurs caractéristiques propres mais de la différence de champ magnétique B0 puisque la vitesse égale facteur gyromagnétique que multiplie le champ magnétique B0. Ainsi, comme pour le lièvre et la tortue au temps TE/2 : ces deux spins qui normalement, s’ils avaient été sous le même champ magnétique auraient tourné à la même vitesse, vont être séparés. Il y en a un qui aura tourné quelques degrés de plus du fait de la différence de champ magnétique B0 qui va influer sur sa vitesse rotatoire. Au temps TE/2 on leur dit qu’on fait une bascule de rephasage à 180°, cela veut dire que celui là on le fait basculer ici derrière et celui qui est en avance va se retrouver en arrière de celui qui est en retard, exactement comme le lièvre et la tortue. On le fait justement au temps TE/2 pour qu’au moment T2, le temps de retour du lièvre et la tortue, la différence de vitesse rotatoire soit gommée. Le retard a compensé la vitesse de rotation différente des deux spins. Ce qu’il faut retenir : l’écho de spin, c’est un écho qui donne une image pure car on va avoir vraiment la transcription d’une belle information T1, T2. On ne va pas du tout être pollué par des différences et des hétérogénéités. Donc c’est une image très belle à la différence de l’écho de gradient. 2) Séquences en écho de gradient : La séquence en écho de gradient, c'est le contraire. On ne fait pas de bascule de rephase. Ces séquences seront donc sensibles aux hétérogénéités de B0 mais seront beaucoup plus rapides. Dans les séquences en écho de gradient, au lieu de faire une bascule à 90°, on va faire une bascule moindre c’est à dire qu’on va basculer de 60°, 40°, 30°, etc. De ce fait, cela prend beaucoup moins de temps. Le gros avantage est sa rapidité. On va donc utiliser ce paramètre pour avoir des séquences très rapides notamment dans le cas de certaines pathologies. Le gros inconvénient de l’écho de gradient est que l’on n’a ni la bascule à 90° ni celle à 180°. Cela signifie que l’information sera polluée. Dans certains cas, on préférera la rapidité d’information plutôt que la beauté. Ce qu'il faut retenir : La séquence écho de spin est plus longue et plus pure alors que la séquence en écho de gradient est plus rapide mais plus polluée. 3) Séquences en inversion récupération : On réalise une bascule à 180° du vecteur puis au temps Ti (temps d'inversion) on pratique la bascule à 90°. Ces séquences auront une forte pondération T1. Ces séquences permettent d’annuler le signal d’un tissu grâce au choix du T1. Au lieu de faire une bascule à 90°, on va commencer à faire une bascule à 180°. Ensuite, le vecteur va remonter progressivement. Quand il va remonter au niveau du TR qui nous intéresse, on va faire une bascule à 90° pour l'effacer du le plan de champ magnétique B1 puisque vous vous rappelez que notre bobine n’enregistre que dans ce plan-là. Ceci intéressant pour 2 raisons : -Forte pondération T1 :Comme la repousse est très longue on a une forte pondération T1. Si on prend un tissu dans lequel il y a plusieurs contingents, chaque contingent aura un T1. On fait notre bascule à 90° puis on attend la repousse jusqu’à un certain temps TR. A cet instant, on regarde la différence de repousse des deux vecteurs qui va permettre de pouvoir différencier en image le T1 de ces deux tissus. Avantage : comme les vecteurs ont repoussé depuis en bas, la différence entre les deux va être beaucoup plus importante puisqu’ils viennent de plus loin. Ils ne remontent pas à la même vitesse donc sur le temps TR on a eu cette différence de repousse. On a grâce à cette bascule de 180°, augmenté le gradient de différence de la repousse de ces deux tissus qui est conditionnée par le T1 du tissu. On va mettre un pixel là ou il y avait une petite différence au niveau des courbes, il y aura une petite différence de gris. Grosse différence = grosse différence de gris. On augmente ainsi la pondération T1 du tissu. On va avoir une image comme une information spin-écho T1 qu’on a vu tout à l’heure mais majorée à savoir qu’on va percevoir visuellement des petites différences qui n’étaient pas perçues parce que les 2 vecteurs étaient très proches l’un de l’autre. On aurait donc eu un tout petit différentiel de gris qu’on aurait pas eu pour une séquence comme ça grâce à une séquence d’inversion-récupération. - Annulation d’un tissu : Lors de la remontée, après la bascule à 180° on effectue la bascule à 90° pour mettre le vecteur de repousse longitudinale dans le plan où on ne peut pas l’enregistrer c’est à dire celui de B0. Maintenant si un tissu ne nous intéresse pas, on veut annuler son signal. Quand il passe par la ligne, cela veut dire que sa projection longitudinale est égale à 0. Donc si on fait une bascule à 90° pour enregistrer la valeur du vecteur longitudinal (comme on fait dans toute séquence d’IRM.) si le vecteur est nul, le résultat sera nul. Le vecteur d'aimantation sera nul dans le plan de B1 qui est le plan de la bobine enregistreuse. En choisissant le moment précis où le tissu qui nous intéresse passe lors de sa repousse par la ligne perpendiculaire à B0 (plan du champ magnétique B1) : on va pouvoir sur notre image effacer le signal de ce tissu. Et chaque tissu va avoir son propre Ti (Temps d’inversion). Pour chaque tissu on va pouvoir choisir le moment approprié pour faire en sorte de faire basculer à 90° au moment précis où le tissu va se situer dans le plan du champ magnétique B1 avec une composante longitudinale 0. De cette manière on va pouvoir annuler dans un volume anatomique le signal précis d’un tissu qu’on aura choisi au préalable. → Un exemple de Séquence inversion récupération fortement pondérée T1 : Grâce à la différence de T1, on arrive à distinguer la substance blanche de la grise. La blanche à un signal plus important en T1 donc un pixel plus blanc et inversement pour la grise. On a augmenté le gradient grâce à cette séquence : on aura une substance grise plus grise. Cela permet de faire ressortir des informations qu’on ne pouvait distinguer avant à l’œil nu sur une séquence spin écho T1 classique A retenir : cette séquence permet d’avoir des séquences dites très pondérées T1 donc très anatomiques grâce à cette forte pondération. La séquence inversion récupération peut permettre d’annuler le signal d’un tissu, voilà donc deux séquences utilisées en pratique courante : - la séquence STIR qui annule le signal de la graisse, - la séquence FLAIR qui annule le signal de l'eau. Séquence STIR. On va dire à la machine d’annuler le signal de la graisse. Donc si on annule ce signal (à gauche : on voit la graisse sous cutanée, dans la moelle osseuse), cela devient noir, on ne voit plus la graisse. Grâce à cette séquence on va pouvoir annuler le signal d’un tissu et cela va avoir une importance considérable dans certaines pathologies. Cela nous permet de voir des choses qu’on n’aurait pas vues sans cet artifice ? On recherche des pathologies qui infiltrent la moelle. On observe à gauche des vertèbres noires, car on a enlevé le signal de la graisse.On aurait alors tout de suite vu une pathologie à ce niveau, car la couleur aurait tranché avec le noir ambiant. Dans l'image de droite on a juste une différence de concentration en graisse qui se traduit par un dégradé de gris que l'on aurait pu prendre pour des cellules cancéreuses. Exemple d’image pondérée T1, T2 afin de montrer à quoi consiste la séquence FLAIR : ➧ Image T1 Signal noir : LCR puisque l’eau a un T1 long. Substance grise : foncée Substance blanche : blanche. ➧ Image T2 Signal blanc : LCR car T2 de l’eau est long. Substance grise : signal plus élevé que substance blanche du fait de leurs différences du T2. _ La séquence FLAIR annule le signal de l’eau : c’est une séquence T2 dans laquelle on annule le signal de l’eau. c'est utile dans certains cas. Par exemple si on a une petite lésion en hyper-signal au contact des ventricules cérébraux, si on a pas enlevé le signal de l'eau, on ne saura pas différencier la limite du ventricule qui présente une anomalie de forme, d'une anomalie présente au niveau du parenchyme cérébral au contact du ventricule. Du coup en enlevant le signal de l'eau du LCR, on sait alors forcément si l'hyper signal est signe d'une pathologie du cerveau. C'est une séquence hyper importante qui est réalisée sur pratiquement toutes les IRM cérébrales. Grâce à la bascule à 180° et à l’excitation à la bascule de 90° faite au moment précis où le signal de l’eau passe par l’horizontale, on a une absence de signal (ici) dans les ventricules cérébraux alors que nous sommes sur une séquence T2. Une séquence T2 avec de l’eau noire que ce soit dans les ventricules cérébraux ou dans les espaces sous arachnoïdiens : c’est une séquence FLAIR. 4) Les séquences vasculaires en temps de vol Il s’agit de séquences avec un TR et un TE très court. Les protons situés dans le tissu auront un signal saturé. Les protons circulant dans le sang auront une aimantation maximale. On a essayé de trouver un système pour pouvoir visualiser les vaisseaux sanguins et uniquement les vaisseaux, plus précisément les artères généralement. Un avantage est que l'on injecte aucun produit de contraste. On désire faire une image vasculaire, on va alors utiliser une séquence dite séquence en temps de vol dans laquelle le TR et le TE sont très courts. On va prendre un TE et un TR très courts, cela veut dire qu’après notre bascule à 90°, le vecteur a pratiquement pas encore repoussé que (« hop ») on le rebascule. On prend donc un TR très court. Le signal du tissu qui va subir cela va être pratiquement nul puisqu’on n’a pas laissé le temps au vecteur de repousser d’où un signal très faible, lié au T1. Avec un TE très court on a pas le temps de voir la fonte se manifester, tous les tissus seront strictement homogènes. Grâce à cette séquence on va donc saturer les tissus, on donc optimiser la visualisation du mouvement des vaisseaux. Si vous avez un tissu dans lequel un vaisseau pase. Lors de la saturation on excite le tissu, ce dernier subit l'influence de la séquence. On a donc aucune information, le pixel va être saturé, complétement gris/noir. Cependant les tissus, sanguins non excités par la séquence car situés hors du plan de la bobine qui crée B1, vont rentrer dans le champs du fait de leur mouvement. Et de ce fait quand on "écoute", tous les spins situés dans le sang qui est dans les vaisseaux et qui rentre dans la coupe vont pouvoir avoir un signal, facilement discernable des tissus ambiants. Par contre dans ce tissu en question, il y a un vaisseau qui passe, l’avantage est que l’eau qui est dans le vaisseau ne va pas subir la répétition de ces bascules. Elle subie une seule bascule puisqu’après elle sort. Tous les autres tissus ont subit une bascule et n’ayant pas le temps de repousser : le vecteur est infime. Tout ce tissu ne va pratiquement avoir aucun signal alors que l’eau n’a subi qu’une seule bascule et elle va avoir un signal important. Tous les tissus autour ont subi plusieurs bascules avec un TR court, le tissu va être saturé alors que l’eau qui circule dans le vaisseau va avoir un grand vecteur qui témoigne de cette bascule unique. C’est grâce à ce mécanisme qu’on va pouvoir dire qu’on sature les tissus immobiles. On va donc avoir une image dans lequel le signal va être pratiquement uniquement constitué du signal de l’eau. ➢ Séquence TOF Voilà une séquence vasculaire dite en temps de vol. Vous voyez que tout le tissu cérébral présente un signal faible, il est noir. Cependant, le sang qui se trouve dans le polygone de Willis vient juste d’arriver donc il subit juste la dernière bascule à 90° sans subir la répétition à TR court, de ce fait il va avoir un signal fort. On aura donc une vision angiographique tout à fait intéressante. Le polygone de Willis est souvent analysé par cette séquence. A PARTE SUR LE FONCTIONNEMENT D'UNE MACHINE IRM. Ce qu'il se passe en pratique : La machine comporte un gros électro-aimant constitué de 30 km de fils supra conducteurs qui baignent dans de l’hélium liquide à -268,95 degrés. Ce gros électro-aimant(cette bobine) produit B0. Il existe une propriété physique qui dit qu'une bobine trempée dans une ambiance très très froide va avoir des propriétés supra-conductrices qui va permettre de générer un énorme champ magnétique. Il existe un émetteur excitateur qui sert à produire l’onde radio qui correspond à B1 et à enregistrer le signal à l’arrêt de B1. La bobine c’est un fil supra conducteur de 30 km qui baigne dans l’hélium à -258° puisque le foie favorise les caractéristiques supra conductrices qui permet de produire le champ magnétique B0. Voilà un IRM ci-contre. Il y a un tunnel qui dans sa paroi contient le fil, le patient passe à l'intérieur du tunnel VIII) Signal des tissus de base L'eau On se rappelle, l'eau a un T1 long et un T2 long. Il va donc y avoir: 2.un hypo-signal sur la séquence T1 3.un hyper-signal sur la séquence T2 La graisse La graisse a un T1 court et un T2 long. Il va donc y avoir: 1.un hyper-signal T1 (comme la graisse sous cutanée sur la séquence T1) 2.un hyper-signal T2 Séquence pondérée en T1 Séquence pondérée en T2 Ici, c'est la même chose: -Le LCR est hypo-T1 et hyper-T2 -La graisse (dans le cuir chevelu) est hyper-T1 et hyper-T2. Séquence pondérée T1 Séquence pondérée T2 3) La mélanine Il faut aussi connaître le signal de la mélanine (substance que l'on retrouve dans les mélanomes, c'est-à-dire les cancers de la peau). La mélanine a une particularité magnétique: elle est en hyper-signal T1. La mélanine a un T1 court ce qui explique l’hyper signal T1 des métastases de mélanome. Quand on a des mélanomes métastatiques on va retrouver des aspects très particuliers car comme ils contiennent de la mélanine, quand on va faire une séquence T1 on va avoir plein de tâches blanches. Ce qui est totalement inhabituel car en général les métastases en T1 sont noires. La seule métastase qui est en hyper-siganl c'est la mélanine. Voici une IRM encéphalique pour rechercher des métastases de mélanomes: tous ces points blancs en sont. 4) Le signal d'un hématome. L’hématome a un signal qui varie dans le temps en raison de la dégradation de l’hémoglobine. Au stade précoce il est en hyper-signal T1 (car il est sous forme de méthémoglobine). Puis ce signal diminue progressivement pour devenir au stade séquellaire au bout de plusieurs mois en hypo-signal T1 et T2. En effet, le sang se dégrade, l'hémoglobine se dégrade pour devenir de l'hémosidérine et l'hémosidérine est en hypo-signal T1 et en hypo-signal T2. A gauche: hématome intra-crânien frais en hyper signal T1. A droite: au bout de quelques jours apparition d’un hypo-signal périphérique (dû à la dégradation de l'hémoglobine) A gauche: hématome intra-crânien frais en hyper signal T1. Le sang frais: Hyper-signal T1 Vieux sang: Hypo-signal T1 et hypo-signal T2. En résumé: c'est vraiment les quelques tissus qu'il faut retenir, il n'y en n'a pas beaucoup: l'eau la graisse le sang la mélanine. Retenir que face à un hyper-signal T1, il faut évoquer trois possibilités: ⁃ Du sang ⁃ De la graisse ⁃ De la mélanine IX) Exemple de pathologies: intérêt du choix de la bonne séquence. 1) La sclérose en plaque: intérêt de la séquence FLAIR La sclérose en plaque a un intérêt en séquence FLAIR, elle permet de dépister des petites lésions qui peuvent être masquées par l’hyper signal du LCR en séquence T2. (image de droite) C'est une maladie dans laquelle il va y avoir une dégradation de l'état de la myéline qui va se traduire par un hyper-signal T2 correspondant à des foyers de démyelinisation dans la substance blanche. On voit des « taches »blanches. Note du ronéiste: l'image donnée par le professeur est mauvaise et ne correspond pas au même étage cérébral, il n'y a donc pas intérêt à la comparer. Intérêt de la séquence FLAIR: Si on était en séquence T2 (c'est-à-dire qui n'annule pas le signal de l'eau), tous les ventricules seraient plein de liquide . L’on n'aurait pas pu voir l'hyper-signal noyé dans tous les hypersignaux des circonvolutions cérébrales ou des ventricules, d'où l'intèrêt de se débarasser du signal de l'eau. Quelquefois, il y a des foyers de démyélinisation qui sont au contact des ventricules, et on a tendance à confondre l'hyper-signal du foyer de sclérose en plaque avec l'hyper-signal du ventricule. La séquence FLAIR est fondamentale pour les lésions de démyélinisation juxta-ventriculaires, et en particilier dans la sclérose en plaque. 2) Métastases vertébrales: intérêt de la séquence STIR La séquence STIR permet de dépister les métastases ou autre processus pathologique dont le signal était masqué par le signal de la moelle osseuse. A droite: séquence T2 normale donc avec un LCR bien blanc On a aussi des vertèbres, dont certaines sont tassées, chez un patient néoplasique. On a un signal de vertèbre un peu hétérogène: on ne sait pas si c'est du tassement ostéoporotique ou bien dû à une métastase vertébral. On a un signal de vertèbre un peu hétérogène. Pour cela on recherche un processus qui infiltre la moelle des corps vertébraux. À ce moment-là, on fait une séquence STIR (image de gauche): elle va annuler le signal de la graisse. On efface la graisse qui est en souscutané et celle qui est dans la moelle osseuse. Et là, on voit apparaitre des hyper signaux, non éffacés dans un des corps vertébraux A gauche: séquence STIR: on sait que dans cette vertèbre, le signal blanc n'est pas de la moelle osseuse, mais il s'agit d'une métastase. Alors que si on n'avait pas fait la séquence STIR, on aurait pu se dire que le signal hétérogène était seulement dû à un tassement ou à de la moelle osseuse. 3) Endométriose pelvienne: intérêt de la séquence T1 avec annulation de la graisse. L'endométriose est une maladie chronique dans laquelle on va avoir des foyers hémorragiques qui vont se localiser en dehors de l'utérus, à chaque cycle et causer des douleurs violentes. Donc lorsque l'on va faire l'IRM, on va tomber sur le signal dû au sang. (on se rappelle que le signal du sang est blanc.) On fait donc ici notre séquence, et on voit du blanc. Le problème est que l'on voit beaucoup de choses blanches dans le pelvis, notamment la graisse, mais aussi les saignements des anciennes menstruations ectopiques. Pour pouvoir effacer le signal de la graisse, et faire ressortir le signal du sang, on va faire une séquence avec suppression de graisse, et à ce moment-là, tout ce qui est blanc est forcément du sang alors qu'avant, la graisse et le sang n'étaient pas distingués. A gauche séquence T1 sans annulation de la graisse, à droite avec annulation -L’hyper-signal du sang frais est noyé dans l’hyper signal de la graisse pelvienne sur la séquence sans annulation de la graisse, mais parait bien identifiable après annulation du signal de la graisse. -Il s'agit de faire ressortir l'hyper-signal du sang 4) Maladie d'Alzheimer: intérêt de la séquence inversion récupération fortement pondérée T1 Rappel: La séquence inversion récupération permet de bien analyser les tissus suivant leurs caractéristiques anatomiques puisque ce sera une séquence fortement pondérée en T1. A gauche: vous avez un hippocampe normal, avec une bonne épaisseur du cortex cérébral, A droite: vous avez une atrophie du cortex dans la région hippocampique qui témoigne donc de la maladie d'Alzheimer. L’atrophie hippocampique est bien vue sur les séquences anatomiques (image de droite alors qu’à gauche: aspect normal) C'est donc grâce à cette séquence fortement pondérée en T1 que l'on va pouvoir bien analyser l'amincissement de la partie corticale de l'hippocampe qui va faire le diagnostic d'atrophie hippocampique de la maladie d'Alzheimer. Exercice: Quelle est la pondération de cette séquence? Pour regarder la pondération d'une image, on regarde le TR et le TE. Le TR est long, donc ce n'est pas une séquence T1. Le TE est long, donc ce n'est pas une séquence en densité de proton. Donc c'est une image qui est pondérée en T2. Mais il y a quelque chose d'anormal. On se rappelle que l'eau a un TE long donc on doit avoir du blanc dans le LCR, or, c'est noir. On a une séquence qui, sur le TE et le TR est pondérée en T2, mais avec une absence de signal dans les ventricules (car TE et TR long, on s'attend à ce que le LCR soit blanc, or ce n'est pas le cas) donc c'est une séquence dans laquelle on a fait une annulation du signal de l'eau: Il s'agit séquence FLAIR. d'une
