base physique irm séquences « echo de spin  » et « echo de gradients »

Base physique IRMSéquences

« Echo de Spin  » et « Echo de Gradients »

Jacques FelblingerUHP- INSERM U947

j.felblinger@chu-nancy.fr

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