Base physique IRM Séquences « Echo de Spin » et « Echo de Gradients »
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Base physique IRMSéquences
« Echo de Spin » et « Echo de Gradients »
Jacques FelblingerUHP- INSERM U947
Magnetic Resonance Imaging (MRI)Kernspintomography
Bibliographie
- Guide des technologies de l’imagerie médicale, Masson, Dillenseger/Moerschel- Collection d'imagerie radiologique, Comprendre l'IRM, Masson, B Kastler- MRI from Picture to Proton, , Cambridge, McRobbie et al.
http://www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN - IRM pas à pas
Bibliographie
- Handbook of MRI, Pulse Sequences, Bernstein et al- Magnetic Resonance Imaging, Springer, M Vlarrdingerbroek- MRI, physical Principles and Sequence Design, Haake et al
Le Web
GRAMM devient SFRMBM
ISMRM
ESMRMBJMRI et MRM
www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN
Comment comprendre l’IRM ?
1) Physique de l’IRMa) Comprendre d’où vient le signalb) Relaxation T1, T2, T2*c) Echo de spin (spin echo)d) Echo de gradients (Gradient Echo)
2) Formation de l’imagee) Excitation d’une coupef) Codage en fréquenceg) Codage en phaseh) « vrai » séquence IRM
3) Contraste en IRM
B
B
= *
Comment ça marche?
Champ magnétique (le plus grand possible): 1,5T = 30 000 x Champ terrestreÉmetteur - Récepteur Radiofréquence
Principe de base de l’IRM
Apport d’énergie radiofréquence, Absorption d’énergie dans le corps
Récupération (relaxation), Réception d’énergie radiofréquence
u = fréquence de résonance (Hz) = rapport gyromagnétique (fonction de l'atome)B standard =1.5 Tesla, u= 64 MHz = 64 000 000 Hz
Champ magnétique intense(supraconducteur)
Etape 1 Etape 2 Etape 3
B
= *
Onde radiofréquence
Émetteur: toutes les fréquences de la bande FMAccord avec le récepteur (sélection fréquence)
L’IRM utilise le même type de fréquence que le poste radio.
Champ magnétique additionel
1,500 Tesla64 000 000Hz
-1,5mT-64000Hz
+1,5mT+64000Hz
r
B0
= * Champ magnétique statiqueFréquence = 64 000 000 Hz
Oreille droite: 1,5T + 1,5mT Fréquence = 64 064 000Hz
Oreille gauche: 1,5T -1.5mTFréquence = 63 936 000Hz
= codage spatial
64 064 000Hz63 936 000Hz
Champ magnétique additionnel
Champ magnétique statique(Supra-conducteur)
Spires supplémentairesgradient de champ (axe z)
r
B0
= *
Générateur + Amplificateur + Antenne d’émission
1ère expérience IRM (1)
Bo
Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception
Antenne de réception
t
Sequence IRM (Pulse Sequence Diagram)
t
EmissionB1 (RF)
Réception
Générateur + Amplificateur + Antenne d’émission
Free Induction Decay (FID)
1ère expérience IRM (1)
Bo
Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception
t
t
EmissionB1 (RF)
Réception
Free Induction Decay (FID)
1ère expérience IRM (2)
e-t/T2
Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T2
B0homogéne
Fréquence du signal = Fréquence de résonanceSignal = ρ . sin (ωt). exp(-t/T2)
y
x
Mz
Mxy
0 50 100 150 200 250 3000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Transversale, T2
Longitudinal, T1
e-t/T2
y
x
fréquence 1
fréquence 2
Différentes fréquences= somme vectorielle chute vite
fréquence 1fréquence 2
Origine de la chute plus rapide du signal
T2
Différentes fréquences = liées à la structure moléculaire(liées à la qualité du champ magnétique)
Relaxation T2 (amplitude du signal mesurée)
Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversaleinteraction spin-spin constante de temps T2Mz=exp(t/T2))T2<<T1
T2=50 ms5*T2= 98%
T2 graisse=80msT2 muscle=45msT2 LCR=160ms
63%
0 50 100 150 200 250 3000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
37% Plus de signal
Relaxation T1 (mémoire Mz)
Excitation puis retour à l'équilibre (spin-réseau)constante de temps T1, LongitudinaleMz=Mo(1-exp(t/T1))
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
T1=500 ms5*T1= 98%
T1graisse=260msT1muscle=870msT1 LCR=2400ms
63%RetourÀ l’équilibre
Révision (B0, B1, T1, T2)
B
B
= *
pour retour à l’équilibre
Constantes de Temps T1 et T2T1 = relaxation longitudinaleT2 = relaxation transversale
T1 et T2 = fonction de la structure moléculaire
Aimant (magnet): dispositif produisant le champ magnétique principal (appelé B0) = 1,5T
Antenne (coil) : Élément utilisé en IRM pour l’émission et le recueil du signal. ( tête, cou, abdomen, pelvis, membre, etc..)
Champ Radiofréquence (RF): Onde radiofréquence similaire à celles utilisées pour la radiodiffusion (appelé B1) 64MHz à 1,5T 128MHz à 3T
(en pratique) Homogénéité de B0
B0= 1,5T -> fréquence de Larmor = 64 000 000Hz
- B0 est homogène seulement dans une sphère de 50 cm au milieu de l’aimant. homogénéité en ppm (décalage 1/1000 000, quelques mT = quelques Hz)
- Conséquence: il faut toujours déplacer la région d’intérêt au milieu de l’aimant
- Réglage de homogénéité = SHIM (pour les séquences sensibles, pour les extrémités)
Zone homogène
B0
(en pratique) B1 (antenne) perpendiculaire à B0
B0 dans l’axe du tunnelPar définition: axe z
B0B0
Axe antenne dansPlan perpendiculaire B0
Antennes dédiées
Torso-pelvis Coeur
Spine Extremities
Extrémités
Antennes volumiquesAntennes de surface
Orientation B0 et B1
B0Comment placé une antenne couIdéalement?
Signal?
t
t
EmissionB1 (RF)
Réception
TransmitRF
ReceiveRF
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
90° 180°0°
Angle de bascule α =90° le plus de signal, bascule dans le plan xy
Energie
90° ? Angle de bascule (flip angle)
Angle de bascule (flip angle)
Mz
Mxy
Angle de bascule en degrés90° = max signal, mais on peut appliquer moinsune impulsion de 90°, passage plan transversal
Plus l’angle est petit, moins d’énergie est transmisePlus vite on peut recommencer une nouvelle mesure
Révision (B0, B1, angle de bascule)
B0 = champ magnétique (permanent) Homogénéité = sphère de 40-50 cm de diamètreRéglage du champ magnétique = Shim (bobine additionnelle)
B1 = Champ radiofréquence (impulsion courte ms)Antenne émission ou réception perpendiculaire à l’axe de B0Angle de bascule (amplitude + durée de l’impulsion radiofréquence) = énergieAngle de bascule = 90° = bascule dans plan transversal
B0
t
t
EmissionB1 (RF)
Réception
FID
90
Echo de Spin (Spin Echo)
TE/2 TE/2
180
pas phasé phasé déphaseprogressif
DéphaséInversiondéphasage
Rephasageprogressif
PhaséECHO
écho
Echo de spin
z
x
yO
M
90°RF
Signal
Temps
180°
b c d e f g
echoTE/2
f g
TE/2
d eb c
TE/2 TE/2echo
e-t/T2*
Cas 2 (réalité) Champ Magnétique imparfait, Molécule complexes: décroissance T2*
B0
T2*<T2
e-t/T2
Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T2
B0homogéne
B0 nonhomogéne
e-t/T2*
Cas 2 (réalité) Champ Magnétique imparfait, Molécule complexes: décroissance T2*T2*<T2
B0 nonhomogéne
(ingrédients d’une séquence) Echo de Spin
Annule les inhomogénéités de B0!!! (défauts) Donc atténuation T2 pas T2*
18090
Echo t
TE/2 TE/2
Bascule dans plan xyDéphasage
Inversion Déphasage
EchoLecture
TE = temps d’écho
x
-
Echo de gradients
φ
t
t
t
++
FID T2*B0
B0
écho
Echo de Gradient
a
Gradient
b c d e f
Temps
RF
Signal
z
x
yO
M
b c d
TE
echo
e f
TE
echo
(ingrédients d’une séquence) Echo de Gradient
1) Reste sensible aux inhomogénéités de B0!!! (défaut) T2* pas T22) Beaucoup plus rapide qu’un séquence écho de spin
αEcho t
TE/2 TE/2
Bascule pas dans le plan xyDéphasage
RephasagePar gradient
EchoLecture
TE = temps d’écho
Comment comprendre l’IRM ?
1) Physique de l’IRMa) Comprendre d’où vient le signalb) Relaxation T1, T2, T2*c) Echo de spin (spin echo)d) Echo de gradients (Gradient Echo)
2) Formation de l’imagee) Excitation d’une coupef) Codage en fréquenceg) Codage en phaseh) « vrai » séquence IRM
3) Contraste en IRM
B
B
= *
Codage en phase et en fréquence
Coupe
Plan
Z
Y
X
Phas
e
Fréquence
TF
Séquence= sélection coupe + codage k
Espace k (matrice) Image (matrice)
Image brute puis transformée de Fourier
Remplissage espace k
Coupe
coupe+ RF
Codagephase
lecture
Coupe
X lignes de phase….Excitation
Acquisition
Excitation
Acquisition
Préparation Préparation
Excitation d'une coupe (slice)
10 mT/m
fréquence
ExcitationRéception
Sélection de la coupe
RésonanceTransformée de FourierPas de tranche parfaite……
Excitation d'une coupe (slice)
1er impulsion Radiofréquence+ Gradient de champ magnétique(sélection de coupe, slice gradient)
= Résonance seulement sur une coupe (slice)
Impulsion: sinc=sin(x)/x
Impulsion courte (<ms)MAIS, il faut appliquer le gradient de champ magnétique
y
x
t
Gradient de champ magnétique= fréquence de précession différentePendant durée du gradient
Déphase du signal lié à la localisation
tPas de gradient
Gradient = déphasage
Gradient de phase
F+dF
Codage en phase
coupe
F-dF
Position de la ligne de phase
Grad
t
t
EmissionB1 (RF)
Réception
Free Induction Decay (FID)
Gradient = déphase à compenser
Gradientcoupe
GradientCoupe+ refocalisation pour “rattraper” les déphasages du gradient de sélection de coupe
Gradient de champentraine un déphasage
Gradient de lecture (fréquence)
fréquence
fo+df
fo-dfIRM
coupe
Acquisition d’une ligne de l ’espace k
Gradient de champ magnétique
+-
1,500 T64 000 000Hz
-1,5mT-64000Hz
+1,5mT+64000Hz
r
B0
= *B devient B+BF devient F+F
Gradient: continuede - B à + Btoutes les fréquences
1) sélection d'une coupe2) codage de l'information
64 064 000Hz63 936 000Hz
Grad
Remplissage espace k
Coupe
coupe+ RF
Codagephase
lecture
Coupe
X lignes de phase….Excitation
Acquisition
Excitation
Acquisition
Préparation Préparation
RF
Gx (lecture)
Signal
Gy (phase)
Gz (coupe)
TE/2TR
TE/2
Une vrai séquence Echo de spin
Révision (Séquence)
Séquence = Excitation (sélection du plan de coupe) + déphasage (codage 1) + lecture (codage 2)
Remplir le plan de Fourier, nb de ligne de phase = temps = nombre de TR
Un gradient de champ magnétique = déphasage du signal
Compensation de chaque gradient de champ magnétique par un gradient inverse
TR = répétition, Matrice = temps d’acquisition
Séquence Echo de Spin
18090 Echoligne
18090 Echoligne
α Echoligne
α Echoligne
α Echoligne
α Echoligne
TR
TR
TE
TE
Séquence Echo de Gradient
Séquence Echo de Spin/Echo de Gradient
18090 Echoligne
18090 Echoligne
α Echoligne
α Echoligne
α Echoligne
α Echoligne
TR
TR
Spin Echo: Beaucoup de temps d’attenteEcho de Gradients: Remplissage rapide de l’espace k
Séquence Echo de Spin/Echo de Gradient
18090 Echo 18090 Echo
α Echo α Echo α Echo α Echo
TR
TR
Energie Radiofréquence: 180° très énergétique! (SAR)
Révision (TR, TE, Spin Echo, Echo de Gradient)
TR =temps de répétition = temps entre deux acquisitions successives
TE = temps d’écho = temps auquel l’écho est généré = signal mesurable
Angle de bascule = 90° - 180° pour une séquence spin écho, <90° en écho de gradients
Echo de Spin = séquence de base, corrige les inhomogénéités de B0, lente
Echo de gradients = séquence rapide, ne corrige pas les inhomogénéités de B0
Fast Spin Echo = 90° - 180° -180°- 180° -180°……. Plusieurs lignes
Aimantation résiduelle
T1 long…. Normalement il faut attendre longtemps..Avant de refaire une nouvelle acquisition.
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
T1=500 ms5*T1= 98%
T1graisse=260msT1muscle=870msT1 LCR=2400ms
63%RetourÀ l’équilibre
Aimantation résiduelle
Détruire l’aimantation résiduelle: Spoiler, Crusher, ….Gradient ou RF: l’idée est de déphaser, mélanger….
18090
Echo t
TE
Bascule dans plan xyDéphasage
Lecture
TR = temps de répétition
90
Comment comprendre l’IRM ?
1) Physique de l’IRMa) Comprendre d’où vient le signalb) Relaxation T1, T2, T2*c) Echo de spin (spin echo)d) Echo de gradients (Gradient Echo)
2) Formation de l’imagee) Excitation d’une coupef) Codage en fréquenceg) Codage en phaseh) « vrai » séquence IRM
3) Contraste en IRM
B
B
= *
Equation du signal
a) Perturbation (changement de niveau d’énergie), impulsion radiofréquence b) Retour à l’équilibre en fonction de 2 constantes de temps T1 et T2Dépend de la séquence d’acquisition
Equation du signal pour une séquence Echo de Spin
Mz=Mo (1-exp(-TR/T1)) exp (-TE/T2)
B
B
= *
attente lecture
t
t
EmissionB1 (RF)
Réception
FID
Temps de répétition
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
TR=temps de répétition
t
t
EmissionB1 (RF)
Réception
FID
TR long > 5T1
Relaxation T1
Excitation puis retour à l'équilibreconstante de temps T1, LongitudinaleMz=Mo(1-exp(t/T1))
0 500 1000 1500 2000 2500 30000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
T1=500 ms5*T1= 98%
T1graisse=260msT1muscle=870msT1 LCR=2400ms
63%RetourÀ l’équilibre
Relaxation T2
Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversaleinteraction spin-spin constante de temps T2Mz=exp(t/T2))T2<<T1
T2=50 ms5*T2= 98%
T2 graisse=80msT2 muscle=45msT2 LCR=160ms
63%
0 50 100 150 200 250 3000
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
37% Plus de signal
Contraste T2
Long délai avant la mesure (TR>2s) = pas de contraste T1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500
0.2
0.4
0.6
0.8
1
T1 Graisse 260msT1 Muscle 870ms
TE long (100ms) favorise contraste T2
T2 Graisse 80msT2 Muscle 45ms
TE
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Pondération T1
Délai court entre mesures (TR= 500ms) = contraste T1
T1 Graisse 260msT1 Muscle 870ms
TE court minimise contraste T2
T2 Graisse 80msT2 Muscle 45ms
TE
0 500 1000 1500 2000 25000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Pondération densité
Délai long entre mesures (TR>2000ms) = pas de contraste T1
T1 Graisse 260msT2 Muscle 870ms
Mesure tôt= peu de contraste T2 (<20ms)
T2 Graisse 80msT2 Muscle 45ms
Révision (Pondérations T1, T2)
Pondération T1 n’est pas la mesure de T1, mais la mise en évidence des différences de T1 (idem pour T2)
Il est possible de mesure les valeurs réelles de T1 et T2 = mesure longue, peu utilisé en pratique clinique
TR long = pas de contraste T1 (relaxation totale) TR court = contraste T1
TE court = pas de contraste T2 (peu de relaxtion T2)TE long = contraste T2TE trop long = plus de signal
Pondération T1 = TR court + TE courtPondération T2= TR long + TE « long »Pondération densité = TR long + TE court
Contraste en IRM
TR/TE 2500/30densité de proton
TR/TE 2500/90pondérée T2
TR/TE 460/11pondérée T1
En fonction des paramètres d’acquisitions, TR,TE, angle etc..différents contrastes sont possibles
Base du signal IRM a) Relaxation T1, T2b) Contraste T1 et Contraste T2c) Différence T2 ,T2*d) Différence entre Echo de spin & Echo de gradients e) Chronogramme d’une séquencef) Espace de Fourier / Espace Image
Information du spectre 2D
origine origineFT 2D+
Centre du plan de Fourier
Extérieur du plan de Fourier
Détails= hautes fréquences
Contrastes= basse fréquence
Espace temps/ Espace Fréquence
- un seul mauvais point dans plan fréquence affecte toute l’image
Plan fréquencePlan image
Espace temps/ Espace Fréquence
Révision (Espace de Fourier)
Espace de Fourier = espace k
Centre de l’espace de Fourier = contraste de l’image (basses fréquences)
Périphérie de l’espace de Fourier = détails de l’image (hautes fréquences)
Taille de la matrice de l’espace de Fourier = taille de la matrice image(nombre de ligne de phase = qualité de l’image)
Image = magnitude ( transformé de Fourier de l’espace k)
Contrast in Spin-Echo Images of the Brain : Influence of TE (T2)
25 ms 50 ms
100 ms75 ms
Contrast in Spin-Echo Images of the Brain :Variation of Repetition Time TR (T1)
63 ms 125 ms 250 ms 500 ms
1000 ms 2000 ms 4000 ms