Transcript Base physique IRM Séquences « Echo de Spin » et « Echo de Gradients » Magnetic Resonance Imaging (MRI) Kernspintomography Jacques Felblinger UHP- INSERM U947 [email protected].

Base physique IRM
Séquences
« Echo de Spin » et « Echo de Gradients »
Magnetic Resonance Imaging (MRI)
Kernspintomography
Jacques Felblinger
UHP- INSERM U947
[email protected]
Bibliographie
http://www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN - IRM pas à pas
- 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.
- 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
ISMRM
www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN
GRAMM
ESMRMB
JMRI et MRM
GE Healthcare
PHILIPS Medical Systems
SIEMENS Medical Solutions
Bruker Biospin
Varian
Fréquence de résonance, fréquence de Larmor

Excitation,
émission d’énergie
Récupération,
réception d’énergie
B

=

*

B
B1: u = fréquence de résonance (Hz)
 = rapport gyromagnétique (fonction de l'atome)
B0 = 1.5 Tesla, u= 64 MHz = 64 000 000 Hz
1ère expérience IRM (1)
Générateur + Amplificateur + Antenne d’émission

Bo

Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception
Antenne de réception
Champ magnétique + Antenne d’émission
1ère expérience IRM (1)
Générateur + Amplificateur + Antenne d’émission

Bo

Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception
Emission
B1 (RF)
Réception
t
Free Induction Decay (FID)
t
Sequence IRM (Pulse Sequence Diagram)
1ère expérience IRM (2)
Emission
B1 (RF)
t
Mz
Free Induction Decay (FID)
t
Réception
Mxy
y
e-t/T2
x
Relaxation transversale, T2
Différente fréquence
= Déphasage
Origine de la chute plus rapide du signal
fréquence 1
y
fréquence 2
fréquence 1
fréquence 2
x
Différentes fréquences
= somme vectorielle chute vite
T2
Différentes fréquences = liées à la structure moléculaire
liées à la qualité du champ magnéique
1ère expérience IRM (2)
Emission
B1 (RF)
Réception
t
Free Induction Decay (FID)
t
Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T2
e-t/T2
B0
homogéne
Fréquence du signal = Fréquence de résonance
Signal = ρ . sin (ωt). exp(-t/T2)
1ère expérience IRM (2), cas réel

t
Emission
B1 (RF)
Free Induction Decay (FID)
t
B

=
Réception

 *
B
Cas 2 (réalité) Champ Magnétique imparfait, Molécule complexes: décroissance T2*
e-t/T2*
B0
Gradient de champ magnétique
=
r

*

B
+
0
B devient B+DB
F devient F+DF
Gradient: continue
de - DB à + DB
toutes les fréquences
-1,5mT
+1,5mT
-64000Hz
+64000Hz
63 936 000Hz
1) sélection d'une coupe
2) codage de l'information
64 064 000Hz
1,500 T
64 000 000Hz
1
Mz
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
Mxy
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Longitudinal, T1
y
1
0.9
0.8
0.7
0.6
x
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
250
Transversale, T2
300
Relaxation T1
Excitation puis retour à l'équilibre (spin-réseau)
constante de temps T1, Longitudinale
Mz=Mo(1-exp(t/T1))
1
0.9
T1=500 ms
5*T1= 98%
0.8
0.7
63%
0.6
T1graisse=260ms
T1muscle=870ms
T1 LCR=2400ms
Retour
À l’équilibre
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Relaxation T2
Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversale
interaction spin-spin constante de temps T2
Mz=exp(t/T2))
T2<<T1
1
0.9
0.8
T2=50 ms
5*T2= 98%
0.7
0.6
63%
0.5
0.4
T2 graisse=80ms
T2 muscle=45ms
T2 LCR=160ms
37%
0.3
Plus de signal
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
250
300
Révision (B0, B1, T1, T2)
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 : Onde radiofréquence similaire à celles utilisées pour la
radiodiffusion (appelé B1) 64MHz à 1,5T 128MHz à 3T

pour retour à l’équilibre
B
Constantes de Temps T1 et T2
T1 = relaxation longitudinale
T2 = relaxation transversale

=

 *
B
T1 et T2 = fonction de la structure moléculaire
T2* relaxation réel (champ magnétique
non homogène)
(en pratique) Homogénéité de B0
B0= 1,5T -> fréquence de Larmor = 64 000 000Hz
Zone homogène
B0
- 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)
(un peu de pratique) Orientation B0 et B1
B0
B0 dans l’axe du tunnel
Par définition: axe z
Axe antenne dans
Plan perpendiculaire B0
B0
Antennes dédiées
Spine
Torso-pelvis
Coeur
Extremities
Extrémités
Antennes volumiques
Antennes de surface
Orientation B0 et B1
B0
Comment placé une antenne cou
Idéalement?
Signal?
Angle de bascule (flip angle)
TransmitRF
Energie
t
Emission
B1 (RF)
1,2
1
0,8
0,6
ReceiveRF
Réception
t
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40 50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
-0,2
0°
90°
180°
Angle de bascule α =90°
le plus de signal,
bascule dans le plan xy
Angle de bascule (flip angle)
Angle de bascule en degrés
90° = max signal, mais on peut appliquer moins
une impulsion de 90°, passage plan transversal
Plus l’angle est petit, moins d’énergie est transmise
Plus vite on peut recommencer une nouvelle mesure
Mz
Mxy
Révision (B0, B1, angle de bascule)
B0 = champ magnétique (permanent)
Homogénéité = sphère de 40-50 cm de diamètre
Réglage du champ magnétique = Shim (bobine additionnelle)
B1 = Champ radiofréquence (impulsion courte ms)
Antenne émission ou réception perpendiculaire à l’axe de B0
Angle de bascule (amplitude + durée de l’impulsion radiofréquence) = énergie
Angle de bascule = 90° = bascule dans plan transversal
B0
Comment comprendre l’IRM ?

1) Quelques expériences de base
a) Comprendre d’où vient le signal
b) Relaxation T1, T2, T2*
c) Echo de spin (spin echo)
d) Echo de gradients (Gradient Echo)
B

=

 *
B
2) Contraste en IRM
3) Formation de l’image
a) Excitation d’une coupe
b) Codage en fréquence
c) Codage en phase
d) « vrai » séquence IRM
Echo de Spin (Spin Echo)
180
90
Emission
B1 (RF)
t
FID
t
Réception
TE/2
pas phasé
phasé
déphase Déphasé
Inversion
progressif
déphasage
TE/2
Rephasage
progressif
phasé
Echo de spin
180
90
RF
TE/2
TE/2
echo
z
M
Signal
b
c
d
e
f
g
O
Temps
x
y
(ingrédients d’une séquence) Echo de Spin
180
90
Echo
TE/2
TE/2
Bascule dans plan xy
Déphasage
Inversion
Déphasage
TE = temps d’écho
Annule les inhomogénéités de B0!!! (défauts)
Donc atténuation T2 pas T2*
Echo
Lecture
t
Echo de Gradient
a
TE
RF
echo
z
Signal
M
Gradient
O
b
c
d
ee
f
x
Temps
y
Echo de gradients
t
+
-
φ
B0
t
B0 x
FID T2*
t
(ingrédients d’une séquence) Echo de Gradient
α
Echo
TE/2
TE/2
Bascule pas dans le plan xy
Déphasage
Rephasage
Par gradient
TE = temps d’écho
Reste sensible aux inhomogénéités de B0!!! (défaut)
T2* pas T2
Echo
Lecture
t
Séquence Spin Echo/Echo de Gradient
TR
90
180
Echo
ligne
90
180
Echo
ligne
TE
TR
α
Echo
ligne
TE
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
Séquence Spin Echo/Echo de Gradient
TR
90
180
Echo
ligne
90
180
Echo
ligne
Beaucoup de temps d’attente en SE (multicoupe…)
Remplissage plus rapide de l’espace k
TR
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
Séquence Spin Echo/Echo de Gradient
TR
90
180
Echo
90
180
Echo
Energie Radiofréquence: 180° très énergétique! (SAR)
TR
α
Echo
α
Echo
α
Echo
α
Echo
Séquence Spin Echo/Fast Spin Echo
TR
90
180
Echo
ligne
90
180
Echo
ligne
TR
90
180
TE1
Echo
ligne
180
TE2
Echo
ligne
180
Echo
ligne
TEeffectif
Une seule exitation mais plusieurs lectures
12-20 échos = lignes: Train d’échos (ETL)
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
Comment comprendre l’IRM ?

1) Quelques expériences de base
a) Comprendre d’où vient le signal
b) Relaxation T1, T2, T2*
c) Echo de spin (spin echo)
d) Echo de gradients (Gradient Echo)
B

=

 *
B
2) Contraste en IRM
3) Formation de l’image
a) Excitation d’une coupe
b) Codage en fréquence
c) Codage en phase
d) « vrai » séquence IRM

B
Equation du signal

=
a)

 *
B
Perturbation (changement de niveau d’énergie), impulsion radiofréquence
b) Retour à l’équilibre en fonction de 2 constantes de temps T1 et T2
Dépend de la séquence d’acquisition
Equation du signal pour une séquence Echo de Spin
Mz=Mo (1-exp(-TR/T1)) exp (-TE/T2)
attente
lecture
Temps de répétition
TR=temps de répétition
1
Emission
B1 (RF)
t
0.9
0.8
0.7
0.6
FID
0.5
0.4
t
Réception
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
TR long > 5T1
Emission
B1 (RF)
Réception
t
FID
t
2500
3000
Relaxation T1
Excitation puis retour à l'équilibre
constante de temps T1, Longitudinale
Mz=Mo(1-exp(t/T1))
1
0.9
T1=500 ms
5*T1= 98%
0.8
0.7
Retour
À l’équilibre
63%
0.6
0.5
T1graisse=260ms
T1muscle=870ms
T1 LCR=2400ms
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Relaxation T2
Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversale
interaction spin-spin constante de temps T2
Mz=exp(t/T2))
T2<<T1
1
0.9
0.8
T2=50 ms
5*T2= 98%
0.7
0.6
63%
0.5
0.4
T2 graisse=80ms
T2 muscle=45ms
T2 LCR=160ms
37%
0.3
Plus de signal
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
250
300
Contraste T2
Long délai avant la mesure (TR>2s) = pas de contraste T1
1
0.8
T1 Graisse 260ms
T1 Muscle 870ms
0.6
0.4
0.2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
1
0.8
T2 Graisse 80ms
T2 Muscle 45ms
0.6
0.4
0.2
0
TE
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Mesure trop tôt = peu de contraste T2 (TE=100ms)
Contraste T2
Long délai avant la mesure (TR>2s) = pas de contraste T1
1
0.8
T1 SB 780ms
T1 SG 900ms
T1LCR 2400ms
0.6
0.4
0.2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
1
T2 SB 90ms
T2 SG 100ms
T2 LCR 160ms
0.8
0.6
0.4
TE
0.2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Mesure trop tôt = peu de contraste T2 (100ms)
Pondération T1
Délai court entre mesures (TR=500ms) = contraste T1
1
0.8
T1 Graisse 260ms
T1 Muscle 870ms
0.6
0.4
0.2
0
0
100
200
300
400
500
600
700
1
0.8
0.6
T2 Graisse 80ms
T2 Muscle 45ms
TE
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Mesure tôt = peu de contraste T2
200
Pondération T1
Délai court entre mesures (TR=500ms) = contraste T1
0.5
0.4
SB 780ms
SG 900ms
LCR 2400ms
0.3
0.2
0.1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0.5
T2 SB 90ms
T2 SG 100ms
T2 LCR 160ms
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Mesure tôt = peu de contraste T2
400
Pondération densité
Délai long entre mesures (TR>2000ms) = pas de contraste T1
1
0.8
T1 Graisse 260ms
T2 Muscle 870ms
0.6
0.4
0.2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
1
0.8
T2 Graisse 80ms
T2 Muscle 45ms
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Mesure tôt= peu de contraste T2 (<20ms)
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 T2
TE trop long = plus de signal
Pondération T1 = TR court + TE court
Pondération T2= TR long + TE « long »
Pondération densité = TR long + TE court
Contraste en IRM
En fonction des paramètres d’acquisitions, TR,TE, angle etc..
différents contrastes sont possibles
TR/TE 2500/30
densité de proton
TR/TE 2500/90
pondérée T2
TR/TE 460/11
pondérée T1
Comment comprendre l’IRM ?

1) Quelques expériences de base
a) Comprendre d’où vient le signal
b) Relaxation T1, T2, T2*
c) Echo de spin (spin echo)
d) Echo de gradients (Gradient Echo)
B

=

 *
B
2) Contraste en IRM
3) Formation de l’image
a) Excitation d’une coupe
b) Codage en fréquence
c) Codage en phase
d) « vrai » séquence IRM
Codage en phase et en fréquence
Coupe
Séquence= sélection coupe + codage k
Z
Image brute puis transformée de Fourier
Espace k (matrice)
Plan
Phase
Y
Image (matrice)
TF
X
Fréquence
Remplissage espace k
coupe
+ RF
Codage
phase
lecture
Coupe
Coupe
Excitation
Excitation
Préparation
Acquisition
X lignes de phase….
Préparation
Acquisition
Remplissage espace k (rapide)
Coupe
Excitation
coupe
+ RF
Codage
phase
lecture
X lignes de phase….
Préparation
Préparation
Préparation
Acquisition Acquisition
Acquisition
Excitation d'une coupe (slice)
Sélection de la coupe
fréquence
10 mT/m
Excitation
Réception
Résonance
Transformée de Fourier
Pas de tranche parfaite……
Gradient de phase
t
Gradient de champ magnétique
= fréquence de précession différente
Pendant durée du gradient
Déphase du signal lié à la localisation
Pas de gradient
t
y
x
Nouvelle expérience IRM (1)
Emission
B1 (RF)
t
Free Induction Decay (FID)
t
Réception
Gradient
coupe
Gradient
Coupe+ refocalisation
pour “rattraper” les déphasages
du gradient de sélection de coupe
Gradient de champ
entraine un déphasage
Une vrai séquence Echo de spin
RF
Gz (coupe)
Gy (phase)
Gx (lecture)
Signal
TE/2
TE/2
TR
Aimantation résiduelle
T1 long…. Normalement il faut attendre longtemps..
Avant de refaire une nouvelle acquisition.
1
0.9
T1=500 ms
5*T1= 98%
0.8
0.7
Retour
À l’équilibre
63%
0.6
0.5
T1graisse=260ms
T1muscle=870ms
T1 LCR=2400ms
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Aimantation résiduelle
TR = temps de répétition
180
90
90
Echo
t
TE
Bascule dans plan xy
Déphasage
α
α
Lecture
α
Détruire l’aimantation résiduelle: Spoiler, Crusher, ….
Gradient ou RF: l’idée est de déphaser, mélanger….
Echo
Lecture
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
il est possible de supprimer l’aimantation résiduelle pour commencer la nouvelle acquisition
plus rapidement, déphasage du signal par gradient de champ magnétique
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Séquence écho de spin
Séquence Fast Spin Echo
Séquence écho de gradient
Effet des gradients
SAR et Spin echo
SAR et Gradient écho
Pondération/T1 T2
Questions: [email protected]