Fiche de révision : IRM : principes et bases physiques

📋 Plan du Cours

1. Instrumentation et aimants IRM
2. Protons et résonance magnétique
3. Relaxations T1 et T2
4. Obtention du signal et Spin Echo
5. Contraste et pondérations IRM
6. Codage spatial et formation image
7. Séquences rapides et inversion
8. Qualité et artéfacts IRM
9. Artéfacts et déplacement chimique
10. Perfusion cérébrale et tumorale
11. Diffusion et modèle IVIM
12. Tenseur de diffusion et tractographie
13. Spectroscopie et métabolites
14. IRM stéréotaxique et radiothérapie
15. Imagerie parallèle
16. Compressed sensing et SMS

📖 1. Instrumentation et aimants IRM

★ À maîtriser

• Une IRM classique utilise un champ magnétique statique produit par des bobines supraconductrices refroidies par environ 1500 à 2000 L d’hélium liquide.

📌 L’hélium liquide doit être maintenu autour de 4 ou 5 K, soit environ −268 °C, pour assurer la supraconductivité des champs supérieurs à 0,5 T.

• Les bobines de shim corrigent les inhomogénéités du champ B0, passivement par des plaques métalliques ou activement par des bobines qui modifient spatialement le champ.

• Les bobines de gradients font varier le champ magnétique selon les axes x, y et z afin de localiser le signal.

• Les antennes radiofréquence émettent les impulsions B1 et reçoivent le signal de résonance magnétique.

Compléments

• Un litre d’hélium liquide correspond à 748 litres d’hélium gazeux.

💡 Astuce mémo

B0 polarise, les gradients localisent, les antennes RF émettent et reçoivent

📖 2. Protons et résonance magnétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Proton : Noyau de l’atome d’hydrogène qui possède un moment magnétique individuel.

★ À maîtriser

• En présence du champ B0, les protons adoptent des orientations parallèle ou anti-parallèle, avec un excès de protons parallèles produisant l’aimantation résultante M0 selon l’axe z.

📐 Formule — La fréquence angulaire de précession vérifie $\omega_0 = \gamma B_0$, où γ est le rapport gyromagnétique propre à chaque élément.

• La résonance survient lorsqu’une impulsion radiofréquence B1 est appliquée à la même fréquence que la précession des protons.

Compléments

• Pour le proton d’hydrogène, le rapport gyromagnétique vaut 42,578 MHz/T.

💡 Astuce mémo

Polarisation → précession → résonance

📖 3. Relaxations T1 et T2

★ À maîtriser

📐 Formule — La relaxation longitudinale suit $M_z = M_0(1-e^{-t/T_1})$ et correspond à la récupération progressive de la composante longitudinale.

📐 Formule — La relaxation transversale suit $M_{xy}=M_0e^{-t/T_2}$ et correspond à la décroissance de la composante transversale.

Compléments

• À t = T1, la composante longitudinale atteint 0,63 M0.

• À t = T2, la composante transversale vaut 0,37 M0.

• Les valeurs de relaxation diffèrent selon les tissus : la graisse a T1 = 250 ms et T2 = 70 ms, le foie T1 = 500 ms et T2 = 40 ms, et le muscle T1 = 900 ms et T2 = 50 ms.

💡 Astuce mémo

T1 repousse Mz, T2 décroît Mxy

📖 4. Obtention du signal et Spin Echo

🔑 Notions clés & Définitions

• Signal FID : Décroissance sinusoïdale amortie par une exponentielle, produite par la précession de l’aimantation transverse et mesurée par l’antenne réceptrice.

★ À maîtriser

📌 La décroissance T2* est plus rapide que la décroissance T2 parce qu’elle associe la relaxation transversale et les inhomogénéités de B0.

• Dans une séquence Spin Echo, une impulsion RF de 90° crée l’aimantation transverse, les spins se déphasent, puis une impulsion de 180° les refocalise pour produire un écho.

Compléments

• Une séquence Multi-Spin Echo enchaîne plusieurs impulsions de 180° et recueille un signal à chaque écho.

💡 Astuce mémo

Déphasage → impulsion 180° → rephasage → écho

📖 5. Contraste et pondérations IRM

★ À maîtriser

• Le temps de répétition TR sépare deux impulsions RF de 90°, tandis que le temps d’écho TE sépare l’impulsion RF de 90° de l’écho.

• Une pondération T1 utilise un TR court et un TE court.

• Une pondération T2 utilise un TR long et un TE long.

Compléments

📌 Une pondération en densité de protons utilise un TR long et un TE court.

• Dans l’exemple fourni, la séquence T1 utilise TR = 500 ms et TE = 15 ms, tandis que la séquence T2 utilise TR = 2000 ms et TE = 120 ms.

💡 Astuce mémo

TR règle T1, TE règle T2

📖 6. Codage spatial et formation image

🔑 Notions clés & Définitions

• Gradient : Variation d’une mesure physique en fonction de la direction.
• Transformée de Fourier : Outil mathématique qui transforme un signal du domaine temporel vers le domaine fréquentiel afin de séparer ses fréquences.

★ À maîtriser

• Un gradient appliqué à B0 crée des fréquences de résonance différentes selon la position, ce qui permet d’associer une fréquence à une localisation spatiale.

• Le codage spatial utilise successivement le gradient de sélection de coupe, le gradient de codage de phase et le gradient de codage en fréquence.

• Un champ de vue trop petit entraîne un mauvais échantillonnage et peut produire un repliement dans la direction du codage de phase.

Compléments

📐 Formule — Pour une coupe d’épaisseur Δz, la gamme de fréquence vérifie $\Delta\omega = \gamma(B_0+G_{ss})\Delta z$.

💡 Astuce mémo

Coupe → phase → fréquence → transformée de Fourier

📖 7. Séquences rapides et inversion

★ À maîtriser

📌 L’écho de gradient forme l’écho par des gradients de déphasage et de rephasage, sans impulsion RF de 180° de refocalisation.

• Dans une séquence Turbo Spin Echo, le facteur turbo est le nombre d’échos recueillis pendant un TR et la longueur du train d’échos peut aller de 4 à 32, voire jusqu’à 200.

• La séquence d’inversion-récupération commence par une impulsion de 180° qui inverse la magnétisation M0 avant une séquence Spin Echo conventionnelle.

• Le STIR utilise un TI court d’environ 130 ms pour supprimer sélectivement la graisse, tandis que le FLAIR utilise un TI long d’environ 2500 ms pour supprimer le liquide cérébrospinal.

Compléments

📌 Un train d’échos long en Turbo Spin Echo diminue le rapport signal sur bruit et le contraste, tandis qu’il augmente le taux d’absorption spécifique en raison du nombre élevé d’impulsions RF.

💡 Astuce mémo

Turbo SE conserve 180°, écho de gradient les évite

📖 8. Qualité et artéfacts IRM

★ À maîtriser

📌 Le rapport signal sur bruit est le rapport entre le signal moyen Sm et l’écart-type du bruit : $S/B = S_m/DS$.

📌 Plus le voxel est petit, meilleure est la résolution spatiale, mais plus le rapport signal sur bruit diminue.

📐 Formule — Pour une acquisition 2D, le temps d’acquisition vérifie $T_{acq}=TR\times N_p\times N_{ex}$.

• Les artéfacts de susceptibilité résultent de différences de susceptibilité entre tissus ou matériaux et sont fréquents près des implants métalliques et des interfaces air-tissu ou air-os.

📐 Formule — La reconstruction DIXON utilise les images en phase et en opposition de phase : $IP+OP=2W$ produit l’image eau seule et $IP-OP=2F$ produit l’image graisse seule.

Compléments

• La séquence WARP réduit les artéfacts métalliques en combinant SEMAC pour la correction dans l’axe de coupe et VAT pour la correction dans le plan.

💡 Astuce mémo

Voxel plus petit → résolution accrue mais rapport signal/bruit diminué

📖 9. Artéfacts et déplacement chimique

🔑 Notions clés & Définitions

• Déplacement chimique : Résulte de la différence d’environnement chimique du proton dans l’eau et la graisse, qui modifie leur fréquence de précession.

★ À maîtriser

• Le déplacement spatial de la graisse de type 1 se produit dans la direction du codage en fréquence.

📌 Augmenter la bande passante diminue le déplacement chimique, mais diminue aussi le rapport signal sur bruit, tandis qu’augmenter la résolution augmente le temps d’acquisition.

📐 Formule — La combinaison Dixon donne une image eau seule par $\frac{IP+OP}{2}=W$ et une image graisse seule par $\frac{IP-OP}{2}=F$.

Compléments

📐 Formule — Avec une bande passante de 32 kHz et un champ de vue de 128 pixels, la largeur de bande par pixel est $32000/128 = 250\ \text{Hz}$ ; comme la différence eau-graisse vaut 225 Hz, le décalage est de 0,9 pixel.

• Une bande passante élevée réduit aussi les temps TE et TR minimaux, les temps inter-échos et les artefacts de susceptibilité et métalliques, mais augmente le champ de vue minimal et le bruit.

💡 Astuce mémo

Bande passante élevée : moins de déplacement chimique ; bande passante faible : déplacement chimique visible

📖 10. Perfusion cérébrale et tumorale

🔑 Notions clés & Définitions

• DSC : Mesure la perfusion par contraste de susceptibilité dynamique et fournit notamment le volume sanguin cérébral, le débit sanguin cérébral et le temps de transit moyen.
• DCE : Mesure la perméabilité et reflète le wash-in, le plateau et le wash-out du produit de contraste, qui décrivent la dynamique tissulaire et les propriétés microvasculaires.

★ À maîtriser

• En DSC, la hauteur du pic renseigne sur la vascularité, le pourcentage de récupération sur la perméabilité et le volume sanguin cérébral sur la perfusion.

📐 Formule — Les paramètres DCE sont $K^{trans}$, constante de transfert entre le plasma et l’espace extracellulaire extravasculaire en min⁻¹, $V_e$, volume de cet espace par unité de volume tissulaire entre 0 et 1, et $K_{ep}$, constante d’échange en min⁻¹, avec $K_{ep}=K^{trans}/V_e$.

Compléments

• Dans une étude prostatique, un ADC de 0,91 mm²/s inférieur au seuil de 1,51 mm²/s indiquait une restriction de diffusion, tandis qu’un Ktrans de 0,26 min⁻¹ supérieur au seuil de 0,165 min⁻¹ indiquait une perfusion élevée. — Winkel et al., Radiology, 2019

💡 Astuce mémo

DSC mesure surtout la perfusion ; DCE mesure surtout la perméabilité

📖 11. Diffusion et modèle IVIM

🔑 Notions clés & Définitions

• IVIM : Sépare la décroissance lente liée à la diffusion, D, de la décroissance rapide liée à la perfusion ou pseudo-diffusion, D*, grâce à un modèle bi-exponentiel.

📝 Points essentiels

📌 La diffusion isotropique est décrite par un coefficient unique D, tandis que la diffusion anisotropique des tissus biologiques organisés est décrite par un tenseur de diffusion.

📐 Formule — Le facteur de diffusion est $b=\gamma^2G^2\delta^2(\Delta-\delta/3)$, où G est l’amplitude du gradient, δ sa durée d’application et Δ l’intervalle entre les impulsions.

📐 Formule — Le coefficient de diffusion apparent se calcule par $ADC=-\frac{1}{b}\ln\left(\frac{S_{DWI}}{S_0}\right)$.

• La prolifération cellulaire restreint la mobilité de l’eau entre les cellules et diminue la diffusion mesurée.

• L’effet de la perfusion est négligeable pour des valeurs de b supérieures à 100 s/mm², mais il n’est pas négligeable pour les faibles valeurs de b.

💡 Astuce mémo

Restriction de l’eau → ADC diminué ; perfusion intravoxel → composante IVIM rapide

📖 12. Tenseur de diffusion et tractographie

🔑 Notions clés & Définitions

• Ellipsoïde de diffusion : Est caractérisé par ses valeurs propres, qui représentent les longueurs, et ses vecteurs propres, qui représentent les directions.

★ À maîtriser

• Un tenseur de diffusion symétrique possède six éléments uniques, car Dxy=Dyx, Dyz=Dzy et Dxz=Dzx.

• La tractographie calcule les trajectoires des fibres à partir du tenseur de diffusion avec des algorithmes déterministes ou probabilistes.

Compléments

• Pour la tractographie, plus de 20 directions sont recommandées et 64 directions sont considérées comme idéales pour obtenir une résolution angulaire élevée.

💡 Astuce mémo

L’ellipsoïde de diffusion s’allonge dans la direction préférentielle des fibres

📖 13. Spectroscopie et métabolites

🔑 Notions clés & Définitions

• Déplacement chimique spectral : Correspond à l’interaction entre le proton H1 et son environnement chimique, qui modifie légèrement sa fréquence de résonance et permet de détecter des composés chimiques.

★ À maîtriser

• Les principaux pics métaboliques sont:

  • le N-acétyl-aspartate à 2,0 ppm
  • la créatine à 3,0 et 3,9 ppm
  • la choline à 3,2 ppm
  • le glutamate/glutamine à 2,3 ppm
  • le myo-inositol à 3,6 ppm
  • les lipides à 0,9 et 1,3 ppm
  • le lactate à 1,3 ppm

• Une augmentation de la choline traduit une prolifération cellulaire, tandis qu’une diminution du N-acétyl-aspartate traduit un effondrement des neurones fonctionnels.

Compléments

• La séparation aveugle de sources estime les matrices de sources S et de mélange A à partir de la mesure Y, modélisée comme un mélange linéaire de sources avec du bruit.

💡 Astuce mémo

Choline augmentée : prolifération ; NAA diminué : perte de neurones fonctionnels

📖 14. IRM stéréotaxique et radiothérapie

★ À maîtriser

• 🔄 La planification utilise: acquérir les images IRM, recaler l’IRM avec le scanner de radiothérapie, définir les volumes et les contours de traitement

Compléments

• Pour l’IRM stéréotaxique du crâne, les séquences présentées comprennent FLAIR, SPACE et MPRAGE, avec des acquisitions 3D isotropiques pouvant atteindre 1 mm³.

• Pour l’IRM stéréotaxique du foie, deux séquences sont asservies à la respiration et une séquence est réalisée en apnée.

💡 Astuce mémo

Acquisition → recalage IRM-CT → planification du traitement

📖 15. Imagerie parallèle

🔑 Notions clés & Définitions

• Imagerie parallèle : Utilise plusieurs éléments de bobines et leurs profils de sensibilité pour réduire le nombre d’encodages de phase et accélérer l’acquisition.
• SENSE : Reconstruit les images partielles de chaque bobine dans l’espace image puis les déplie et les combine à l’aide des cartes de sensibilité et de matrices d’inversion.
• GRAPPA : Reconstruit les points manquants de l’espace k à partir des données ACS et des facteurs de pondération des bobines, puis forme les images de chaque bobine avant leur combinaison.

★ À maîtriser

📌 Avec un facteur d’accélération R=2, le temps d’acquisition est divisé par deux, mais le rapport signal sur bruit est divisé par √2, soit une diminution d’environ 40 %.

Compléments

📐 Formule — Le rapport signal sur bruit en imagerie parallèle vérifie $SNR_{PAT}=SNR_{conventionnel}/g_{PAT}$, où g est le facteur de géométrie dépendant du nombre, de la taille et de l’orientation des bobines.

💡 Astuce mémo

SENSE corrige dans l’espace image ; GRAPPA corrige dans l’espace fréquentiel

📖 16. Compressed sensing et SMS

🔑 Notions clés & Définitions

• Compressed sensing : Accélère l’acquisition par sous-échantillonnage incohérent, représentation parcimonieuse et reconstruction itérative sous contrainte de consistance des données.
• SMS : Ou excitation multicoupe simultanée, utilise une impulsion RF multibande pour acquérir plusieurs coupes simultanément dans le temps nécessaire à l’acquisition conventionnelle d’une coupe.

★ À maîtriser

• La reconstruction compressed sensing collecte des données sous-échantillonnées, produit une image initiale, extrait les caractéristiques informatives, applique un seuillage, reconstruit l’image et compare itérativement les données dans l’espace k.

Compléments

• L’acquisition SMS réduit le temps d’acquisition et améliore la résolution temporelle, notamment pour l’IRM fonctionnelle et l’IRM de diffusion.

💡 Astuce mémo

Sous-échantillonnage incohérent → reconstruction parcimonieuse itérative → acquisition accélérée

📊 Tableaux de synthèse

Pondérations IRM

Fonctions des éléments IRM