Fiche de révision : Imagerie par résonance magnétique

📋 Plan du Cours

1. Fondements et histoire de l’IRM
2. Résonance magnétique nucléaire
3. Relaxation et constantes T1 T2
4. Du signal FID à l’imagerie
5. Codage spatial en IRM
6. Localisation par transformée de Fourier
7. Séquences écho de gradient et de spin
8. Paramètres TR et TE
9. Contraste et pondération des images
10. Produit de contraste au gadolinium

📖 1. Fondements et histoire de l’IRM

★ À maîtriser

• La découverte de la résonance magnétique nucléaire date de 1947 et est attribuée aux Américains Felix Bloch et Edward Mills Purcell, qui ont reçu un prix Nobel.

📌 L’IRM est une imagerie non irradiante qui utilise un champ magnétique et des radiofréquences, contrairement à la radiographie standard et au scanner qui utilisent des rayons X irradiants.

• L’aimant supraconducteur de l’IRM produit le champ magnétique principal B0, constant et permanent, dont l’intensité clinique est généralement de 1,5 T ou 3 T.

Compléments

• Les premières applications de la résonance magnétique nucléaire en imagerie clinique ont eu lieu en 1977, puis l’IRM s’est diffusée à grande échelle dans le domaine médical dans les années 1990.

• Le champ magnétique terrestre vaut environ 0,00003 T, soit 3 × 10⁻⁵ T, et il est 100 000 fois moins intense que le champ magnétique d’une IRM à 3 T.

💡 Astuce mémo

Champ magnétique puissant → protons mobilisés → image interne

📖 2. Résonance magnétique nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonance : Augmentation de l’énergie oscillante reçue par un système sous l’influence d’impulsions périodiques dont la fréquence est proche de la fréquence propre d’oscillation du système.
• Magnétisme nucléaire : Propriétés magnétiques des noyaux atomiques, notamment celles des protons d’hydrogène, qui peuvent agir comme de petits aimants dans le champ intense de l’IRM.
• Magnétisme : Ensemble des phénomènes physiques dans lesquels des objets exercent des forces attractives ou répulsives sur d’autres matériaux.

★ À maîtriser

• Le corps humain est constitué à environ 70 % d’eau, ce qui explique l’utilisation des protons d’hydrogène pour former une image protonique en IRM.

📌 Lorsque le nombre de protons et de neutrons est pair, le spin nucléaire est nul et la résonance est impossible, tandis qu’un spin nucléaire non nul permet la résonance, comme pour le proton H⁺ et le carbone 13C.

• La fréquence de résonance des protons d’hydrogène est de 42,6 MHz/T.

📌 Sans champ magnétique appliqué, les moments magnétiques nucléaires sont orientés aléatoirement et leur somme est nulle, tandis que le champ B0 crée une aimantation nette M orientée dans sa direction.

📐 Formule — La relation de Larmor donne la vitesse angulaire de précession selon $\omega_0 = \gamma B_0$ et la fréquence de Larmor selon $\nu_0 = \frac{\omega_0}{2\pi} = \frac{\gamma B_0}{2\pi}$.

Compléments

📐 Formule — Le moment magnétique nucléaire vérifie $\mu = \gamma S$, où γ est le rapport gyromagnétique et S le moment cinétique.

💡 Astuce mémo

Parallèle = basse énergie ; antiparallèle = haute énergie

📖 3. Relaxation et constantes T1 T2

🔑 Notions clés & Définitions

• Relaxation : Retour progressif de l’aimantation M vers sa position initiale parallèle à B0 après l’arrêt du champ alternatif B1.
• Relaxation longitudinale : Repousse de l’aimantation longitudinale Mz ; sa constante T1 correspond à la réapparition de 63 % de Mz.
• Relaxation transversale : Disparition de l’aimantation transversale Mxy ; sa constante T2 correspond à la disparition de 63 % de Mxy, soit la persistance de 37 % de Mxy.

📝 Points essentiels

• Pour rendre l’aimantation mesurable, on applique B1 perpendiculairement à B0, on règle B1 sur la fréquence de Larmor, on bascule M de 90° puis on arrête B1.

📐 Formule — Pour un champ B0 de 3 T, la fréquence de Larmor du proton vaut $3 \times 42{,}6 = 127{,}8\ \text{MHz}$.

📌 Les valeurs de T1 sont supérieures aux valeurs de T2, ce qui signifie que la repousse de l’aimantation longitudinale prend plus de temps que la disparition de l’aimantation transversale.

• Dans l’eau, les valeurs maximales sont d’environ 3000 ms pour T1 et 1500 ms pour T2, tandis que les valeurs sont les plus basses dans la graisse.

💡 Astuce mémo

T1 repousse Mz ; T2 fait disparaître Mxy

📖 4. Du signal FID à l’imagerie

🔑 Notions clés & Définitions

• Free Induction Decay : Décroissance libre du signal RMN après l’arrêt de l’impulsion B1, liée à la diminution progressive de l’aimantation transversale Mxy.
• Transformée de Fourier : La transformée de Fourier transforme une amplitude dépendant du temps en une amplitude dépendant de la fréquence et sépare les fréquences composant le signal.

📝 Points essentiels

• Après l’arrêt de B1, Mxy induit un courant alternatif dans l’antenne, ce courant diminue avec Mxy, puis le signal RMN décroissant est analysé par transformée de Fourier.

• En IRM, le codage spatial utilise des gradients de champ magnétique de l’ordre de 10⁻⁴ T/cm pour différencier les signaux provenant de différentes zones de l’espace.

💡 Astuce mémo

Bascule → relaxation → FID → Fourier → localisation

📖 5. Codage spatial en IRM

🔑 Notions clés & Définitions

• Codage spatial : Permet de déterminer de quelle portion de l’espace provient le signal mesuré en IRM.

★ À maîtriser

• La sélection de coupe utilise un gradient temporaire qui différencie les fréquences de résonance des protons d’hydrogène selon la coupe étudiée.

📌 Le codage en fréquence selon x est appliqué pendant la mesure, tandis que le codage en phase selon y est appliqué après la sélection de coupe et avant la mesure.

• Le codage en phase crée un déphasage dépendant de l’intensité et de la durée du gradient, puis les protons retrouvent leur fréquence de Larmor tout en conservant leur décalage de phase.

Compléments

• Les gradients de champ magnétique additionnels utilisés en IRM sont de l’ordre de 10^-4 Tesla/cm et modifient légèrement la fréquence de résonance selon la position.

💡 Astuce mémo

Coupe → fréquence x → phase y

📖 6. Localisation par transformée de Fourier

🔑 Notions clés & Définitions

• Voxel : Élément de volume localisé dans l’espace et caractérisé par une intensité de signal représentée par un niveau de gris.

★ À maîtriser

📐 Formule — Les signaux sinusoïdaux recueillis en IRM peuvent s’écrire $A=A_0\cos(\omega t+\varphi)$.

📌 La fréquence ω code la position selon l’axe x, tandis que la phase φ code la position selon l’axe y.

Compléments

• Une amplitude élevée de l’aimantation transversale produit un signal clair, tandis qu’une amplitude faible produit un signal sombre.

💡 Astuce mémo

Fréquence et phase → position du voxel → niveau de gris

📖 7. Séquences écho de gradient et de spin

★ À maîtriser

• 🔄 Une séquence IRM comprend les étapes suivantes:
  1. Sélection de coupe
  2. Impulsion de radiofréquence
  3. Gradient de phase
  4. Gradient de fréquence
  5. Recueil du signal

📌 L’écho de gradient utilise une seule impulsion radiofréquence à 90° et son signal décroît sans réécho, tandis que l’écho de spin utilise une impulsion à 90° suivie d’une impulsion à 180° pour reformer le signal.

• Dans l’écho de spin, l’impulsion à 180° inverse les protons déphasés afin qu’ils se retrouvent progressivement en phase et permettent la mesure d’un écho au temps TE.

Compléments

• L’écho de gradient est une séquence courte, mais il recueille moins facilement l’intensité maximale du signal et le distingue moins bien du bruit.

💡 Astuce mémo

Gradient : une impulsion ; spin : 90° puis 180°

📖 8. Paramètres TR et TE

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de répétition : Le temps de répétition TR est la durée séparant deux répétitions d’une séquence et il détermine le temps laissé à l’aimantation longitudinale Mz pour repousser.
• Temps d’écho : Le temps d’écho TE est la durée séparant l’impulsion à 90° de la remontée du signal mesuré après l’impulsion à 180°.

★ À maîtriser

📌 T1 et T2 sont des paramètres physiques propres aux tissus, tandis que TR et TE sont des paramètres techniques choisis pour sonder ces tissus.

Compléments

• Le temps entre l’impulsion à 90° et l’impulsion à 180° dans une séquence d’écho de spin vaut TE/2.

💡 Astuce mémo

TR sonde T1, TE sonde T2

📖 9. Contraste et pondération des images

★ À maîtriser

• Pour obtenir une image pondérée en T1, il faut utiliser un TR court et un TE court afin de différencier les tissus selon leur repousse longitudinale.

• Pour obtenir une image pondérée en T2, il faut utiliser un TR long et un TE long afin de laisser les différences de décroissance transversale s’exprimer.

• En pondération T1, la graisse apparaît en hypersignal et l’eau en hyposignal, tandis qu’en pondération T2 l’eau apparaît en hypersignal.

Compléments

• Les images pondérées en T1 et en T2 sont complémentaires, car l’eau et l’air peuvent avoir un aspect similaire en T1 mais différent en T2.

💡 Astuce mémo

T1 : graisse blanche, eau noire ; T2 : eau blanche

📖 10. Produit de contraste au gadolinium

🔑 Notions clés & Définitions

• Gadolinium : Macromolécule paramagnétique injectée dans les veines pour modifier la relaxation T1 et augmenter le contraste de l’IRM.

★ À maîtriser

• Après l’injection, le gadolinium circule jusqu’au cerveau et augmente le signal des zones fortement vascularisées, comme les tumeurs.

Compléments

• La quantité de gadolinium injectée dans les veines du patient est de 10 à 20 mL.

• Les tumeurs, qui sont très vascularisées, peuvent apparaître en fort hypersignal après injection de gadolinium.

💡 Astuce mémo

Gadolinium paramagnétique → relaxation T1 → tumeurs en hypersignal

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des relaxations T1 et T2

Comparaison des séquences IRM