Fiche de révision : Imagerie par résonance magnétique

📋 Plan du Cours

1. Bases physiques de l’IRM
2. Résonance magnétique nucléaire
3. Principe de la RMN
4. Relaxation et constantes T1 T2
5. Signal FID et détection
6. Décroissance libre et transformée de Fourier
7. Codage spatial et localisation
8. Séquences écho de gradient et de spin
9. Paramètres TR, TE et contraste
10. Pondérations et produit de contraste

📖 1. Bases physiques de l’IRM

★ À maîtriser

• L’IRM produit une image interne du corps humain à partir d’un aimant supraconducteur, de phénomènes de résonance magnétique nucléaire et de relaxation, puis de la transformation d’un signal en image.

📌 Contrairement à la radiographie standard et au scanner, qui utilisent des rayons X irradiants, l’IRM est une imagerie non irradiante.

• L’aimant supraconducteur de l’IRM produit un champ magnétique principal B0 constant et permanent, généralement de 1,5 T ou 3 T en pratique clinique.

Compléments

• La découverte de la RMN date de 1947 par Felix Bloch et Edward Mills Purcell, qui ont obtenu le prix Nobel pour cette technique en 1962.

• Les premières applications en imagerie clinique de la RMN ont lieu en 1977, puis l’IRM se diffuse largement dans le domaine médical dans les années 1990.

💡 Astuce mémo

RMN → relaxation → signal → image

📖 2. Résonance magnétique nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonance : Augmentation de l’énergie oscillante d’un système soumis à des impulsions périodiques dont la fréquence est proche de sa fréquence propre d’oscillation.
• Magnétisme nucléaire : Propriétés magnétiques des noyaux, notamment des protons d’hydrogène, qui peuvent se comporter comme de petits aimants dans le champ 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 étant constitué à environ 70 % d’eau, l’IRM utilise principalement les noyaux d’hydrogène, dont la fréquence de résonance est d’environ 42,6 MHz/T.

📌 Un noyau dont le spin total est nul ne peut pas entrer en résonance nucléaire, tandis qu’un noyau dont le spin total est non nul peut se comporter comme un petit aimant et réagir à la résonance.

Compléments

📐 Formule — Le moment magnétique nucléaire est relié au moment cinétique par la relation $\mu = \gamma S$, où γ est le rapport gyromagnétique.

💡 Astuce mémo

Champ B0 puissant → protons orientés → signal exploitable

📖 3. Principe de la RMN

★ À maîtriser

• 🔄 La mise en place de l’aimantation sous B0 suit trois étapes:
  1. Les orientations des spins sont aléatoires et leur somme magnétique est nulle
  2. Les spins adoptent des orientations parallèle ou antiparallèle à B0
  3. La légère majorité parallèle crée une aimantation longitudinale M orientée selon B0

📐 Formule — La vitesse angulaire de précession autour de B0 suit la relation de Larmor $\omega_0 = \gamma B_0$.

📐 Formule — La fréquence de Larmor correspondante est $\nu_0 = \frac{\omega_0}{2\pi} = \frac{\gamma B_0}{2\pi}$ et augmente lorsque B0 augmente.

• L’aimantation M est parallèle à B0 avant l’excitation et n’est pas directement observable dans cette orientation.

Compléments

• Le rapport gyromagnétique du proton d’hydrogène vaut environ 42,6 MHz/T.

💡 Astuce mémo

Parallèle : basse énergie ; antiparallèle : haute énergie

📖 4. Relaxation et constantes T1 T2

🔑 Notions clés & Définitions

• Relaxation : Retour progressif de l’aimantation à sa position initiale après l’arrêt de la contrainte magnétique B1.

• Constante T1 : Constante de relaxation longitudinale, correspondant au temps nécessaire à la récupération de 63 % de l’aimantation longitudinale Mz.
• Constante T2 : Constante de relaxation transversale, correspondant au temps nécessaire à la disparition de 63 % de l’aimantation transversale Mxy, laissant 37 % de Mxy.

📝 Points essentiels

• Le champ B1, perpendiculaire à B0 et produit par un courant alternatif dans une bobine, bascule l’aimantation M de 90° dans le plan transversal avant d’être interrompu.

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

📌 Les valeurs de T1 sont toujours supérieures aux valeurs de T2, et l’eau présente des valeurs élevées d’environ 3000 ms pour T1 et 1500 ms pour T2.

• La relaxation T1 correspond à la restitution d’énergie des moments magnétiques à leur environnement, tandis que la relaxation T2 résulte du déphasage progressif des spins sous l’effet de leurs interactions avec leurs voisins.

💡 Astuce mémo

T1 repousse Mz, T2 fait disparaître Mxy

📖 5. Signal FID et détection

🔑 Notions clés & Définitions

• FID : Décroissance du signal RMN après l’arrêt de l’impulsion de radiofréquence B1.
• Transformée de Fourier : Traitement mathématique qui sépare les fréquences contenues dans le signal RMN afin d’obtenir un spectre de résonance.

★ À maîtriser

• Après l’arrêt de B1, Mxy diminue tandis que Mz augmente progressivement lors du retour en spirale de l’aimantation vers B0.

• Une antenne placée perpendiculairement à B0 dans le plan transversal transforme la variation de Mxy en courant alternatif détectable.

Compléments

• Le signal FID a une forme sinusoïdale décroissante : ses fréquences restent stables car elles dépendent des tissus, tandis que son amplitude diminue avec le temps.

💡 Astuce mémo

B1 cesse → Mxy décroît → courant détecté → spectre

📖 6. Décroissance libre et transformée de Fourier

🔑 Notions clés & Définitions

• Décroissance libre induite : Décroissance de l’amplitude d’un signal sinusoïdal recueilli après l’arrêt du champ RF, tandis que sa fréquence d’oscillation reste stable.

★ À maîtriser

• La constante T2 correspond à 63 % de la disparition de la composante transversale Mxy.

• La transformée de Fourier convertit un signal exprimé en amplitude selon le temps en un spectre exprimé en amplitude selon la fréquence et dissocie les fréquences sous-jacentes.

Compléments

• Un signal combinant un la à 440 Hz et un fa à 698 Hz produit deux pics de transformée de Fourier, le pic à 698 Hz étant moins élevé si le fa est joué moins fort.

📌 En spectroscopie RMN, l’écart entre la fréquence mesurée et une substance de référence est appelé déplacement chimique.

💡 Astuce mémo

Relaxation de Mxy → décroissance du signal → spectre des fréquences

📖 7. Codage spatial et localisation

★ À maîtriser

• Le codage spatial utilise des gradients de champ magnétique pour faire varier localement la fréquence de Larmor et identifier l’origine spatiale du signal.

📌 Le gradient de fréquence code la coordonnée x pendant la mesure, tandis que le gradient de phase code la coordonnée y après la sélection de coupe et avant la mesure.

📐 Formule — Un signal sinusoïdal recueilli peut s’écrire $A=A_0\cos(\omega t+\phi)$, où A0 correspond à l’intensité de l’aimantation transversale et où ω et φ codent la position.

• Chaque voxel est localisé par une paire de valeurs fréquence-phase et représenté par un niveau de gris déterminé par l’amplitude du signal.

Compléments

• Après l’arrêt du gradient de phase, les protons retrouvent leur fréquence de Larmor mais conservent le décalage de phase acquis.

💡 Astuce mémo

Fréquence en x, phase en y

📖 8. Séquences écho de gradient et de spin

★ À maîtriser

📌 L’écho de gradient utilise une seule impulsion RF à 90° et produit une relaxation caractérisée par T2*, tandis que l’écho de spin utilise une impulsion à 90° suivie d’une impulsion à 180°.

• Le temps T2* est plus court que T2 parce qu’il intègre le déphasage tissulaire et le déphasage supplémentaire dû aux inhomogénéités du champ B0.

• Dans une séquence écho de spin, l’impulsion à 90° est suivie après TE/2 d’une impulsion à 180°, puis le signal est mesuré au temps TE lorsque les déphasages systématiques sont compensés.

Compléments

• L’écho de gradient est une séquence courte mais son signal décroît rapidement et présente un rapport signal-bruit plus défavorable en raison des inhomogénéités de B0.

💡 Astuce mémo

90° → TE/2 → 180° → TE

📖 9. Paramètres TR, TE et contraste

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de répétition : Durée séparant deux répétitions d’une séquence IRM et conditionnant le temps laissé à l’aimantation longitudinale Mz pour repousser.
• Temps d’écho : Durée séparant l’impulsion d’excitation et la mesure de l’écho, permettant de sonder l’exponentielle T2.

📝 Points essentiels

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

• Pour obtenir une image pondérée en T1, on choisit un TR court et un TE court afin de limiter la croissance des exponentielles et de différencier les tissus.

• Pour obtenir une image pondérée en T2, on choisit un TR long et un TE long afin de laisser la décroissance T2 séparer les tissus et de réduire l’influence de T1.

💡 Astuce mémo

T1 : TR/TE courts ; T2 : TR/TE longs

📖 10. Pondérations et produit de contraste

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

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

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

Compléments

• Après l’injection de 10 à 20 mL de gadolinium, sa circulation jusqu’au cerveau augmente le signal des zones vascularisées, notamment des tumeurs, qui apparaissent en fort hypersignal.

💡 Astuce mémo

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

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des relaxations T1 et T2

Paramètres des pondérations IRM