Fiche de révision : IRM : codage et contraste

📋 Plan du Cours

1. Fondements et histoire de la RMN
2. Résonance magnétique nucléaire
3. Relaxation et constantes T1 T2
4. Signal RMN et transformation en image
5. Signal RMN et transformée de Fourier
6. Codage spatial par gradients
7. Localisation et reconstruction de l’image
8. Séquences écho de gradient et de spin
9. Paramètres T1 T2 TE et TR
10. Contraste et produits de contraste
11. Synthèse des pondérations IRM

📖 1. Fondements et histoire de la RMN

🔑 Notions clés & Définitions

• IRM : Technique d’imagerie non irradiante qui utilise un champ magnétique et des radiofréquences, contrairement à la radiographie et au scanner qui utilisent des rayons X.

★ 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 pour leurs travaux.

• 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 RMN 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 de 3 T utilisé en IRM.

💡 Astuce mémo

Aimant → protons → résonance → image

📖 2. Résonance magnétique nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonance : Augmentation de l’énergie oscillante d’un système sous l’action d’impulsions périodiques dont la fréquence est proche de sa fréquence propre d’oscillation.
• 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 étant constitué à environ 70 % d’eau, l’IRM exploite principalement les protons des atomes d’hydrogène pour former une image protonique.

📌 Un noyau dont le spin total est nul ne peut pas produire de signal RMN, tandis qu’un noyau dont le spin total est non nul peut se comporter comme un petit aimant et entrer en résonance.

• Le rapport gyromagnétique des protons d’hydrogène vaut 42,6 MHz/T et détermine leur fréquence de résonance.

📌 Sans champ magnétique appliqué, les moments magnétiques nucléaires sont orientés aléatoirement et leur somme est nulle, tandis que sous B0 ils s’orientent majoritairement parallèlement au champ et produisent une aimantation nette M.

📐 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

B0 aligne, B1 bascule

📖 3. Relaxation et constantes T1 T2

🔑 Notions clés & Définitions

• Relaxation : Retour progressif de l’aimantation vers sa position initiale parallèle à B0 après l’arrêt du champ alternatif B1.
• Constante T1 : Constante de relaxation longitudinale, ou relaxation spin-réseau, correspondant au temps de réapparition de 63 % de l’aimantation longitudinale Mz.
• Constante T2 : Constante de relaxation transversale, ou relaxation spin-spin, correspondant au temps de disparition de 63 % de l’aimantation transversale Mxy, soit à la persistance de 37 % de Mxy.

★ À maîtriser

• Pour produire un signal mesurable, l’IRM applique B1 perpendiculairement à B0, règle B1 sur la fréquence de Larmor, bascule M d’environ 90°, puis coupe B1 afin d’observer la relaxation.

📌 Après l’arrêt de B1, l’aimantation longitudinale Mz repousse progressivement tandis que l’aimantation transversale Mxy diminue progressivement.

📌 Dans les milieux étudiés, T1 est toujours supérieur à T2, de sorte que la repousse longitudinale est plus lente que la disparition transversale.

Compléments

• Pour un champ B0 de 3 T, la fréquence de Larmor du proton vaut 3 × 42,6 MHz, soit 127,8 MHz.

• Dans l’eau, les valeurs sont maximales, avec environ T1 = 3000 ms et T2 = 1500 ms, tandis que les valeurs de T1 et T2 sont minimales dans la graisse.

💡 Astuce mémo

T1 repousse Mz, T2 efface Mxy

📖 4. Signal RMN et transformation en image

🔑 Notions clés & Définitions

• FID : Décroissance du signal RMN liée à la diminution progressive de l’aimantation transversale Mxy après l’arrêt de B1.
• Transformée de Fourier : Convertit l’amplitude du signal en fonction du temps en amplitude en fonction de la fréquence et sépare les fréquences superposées.

★ À maîtriser

• Une antenne placée dans le plan transverse détecte le courant alternatif induit par la variation de Mxy, dont l’amplitude décroît au cours de la relaxation.

• Le codage spatial utilise des gradients temporaires de champ magnétique d’environ 10⁻⁴ T/cm pour différencier les zones spatiales et déterminer l’origine du signal.

Compléments

• En RMN, plusieurs fréquences correspondent à plusieurs environnements moléculaires différents des noyaux d’hydrogène étudiés.

💡 Astuce mémo

FID → Fourier → fréquences → localisation

📖 5. Signal RMN et transformée de Fourier

🔑 Notions clés & Définitions

• Déplacement chimique : Écart entre la mesure RMN et une substance de référence, nécessaire parce qu’il n’existe pas de valeur absolue en spectroscopie RMN.
• Décroissance libre induite : Signal dont l’amplitude décroît avec le temps tout en restant couplée à une oscillation constante caractérisée par une longueur d’onde et une fréquence.

📝 Points essentiels

• La transformée de Fourier permet d’identifier les fréquences de résonance sous-jacentes au signal recueilli.

📌 En spectroscopie RMN l’échantillon est homogène et seules les fréquences des substances sont détectées, tandis qu’en IRM il faut en plus différencier les voxels selon leur position spatiale.

💡 Astuce mémo

Référence → déplacement chimique → fréquences par transformée de Fourier

📖 6. Codage spatial par gradients

🔑 Notions clés & Définitions

• Codage en fréquence : Le codage en fréquence utilise un gradient selon l’axe x, noté $G_\omega$, appliqué pendant la mesure afin que les protons aient des vitesses de rotation différentes selon leur position sur x.

★ À maîtriser

• Le gradient de sélection de coupe fait varier légèrement le champ magnétique selon la zone étudiée afin que chaque coupe possède une fréquence de résonance propre.

• Le codage en phase consiste à appliquer un gradient selon y après la sélection de coupe et avant la mesure, puis à le supprimer en conservant le déphasage acquis.

Compléments

• Les gradients additionnels de champ magnétique sont de l’ordre de $10^{-4}\ \mathrm{T/cm}$ et sont créés temporairement par des bobines supplémentaires.

💡 Astuce mémo

Coupe → fréquence x → phase y

📖 7. Localisation et reconstruction de l’image

★ À maîtriser

📐 Formule — Un signal sinusoïdal recueilli s’écrit $A=A_0\cos(\omega t+\varphi)$, où $A_0$ représente l’amplitude, $\omega$ la fréquence et $\varphi$ la phase.

• L’amplitude $A_0$ traduit l’intensité de l’aimantation transversale et est convertie en niveau de gris dans l’image.

📌 Chaque position du plan est identifiée par une paire fréquence-phase, tandis que l’amplitude associée détermine l’intensité du pixel ou du voxel.

Compléments

• La reconstruction progressive des amplitudes des voxels permet de former une image en coupe, par exemple une image sagittale du cerveau.

💡 Astuce mémo

Amplitude = intensité ; fréquence et phase = position

📖 8. Séquences écho de gradient et de spin

★ À maîtriser

• Une séquence IRM d’imagerie utilise successivement un gradient de sélection de coupe, une impulsion de radiofréquence, un gradient de phase, un gradient de fréquence et le recueil du signal, tandis que le champ $B_0$ reste actif.

📌 L’écho de gradient utilise une seule impulsion radiofréquence à 90° et son signal décroît sans être refocalisé, tandis que l’écho de spin utilise une impulsion à 90° suivie d’une impulsion à 180° pour refocaliser les protons.

• Dans l’écho de spin, l’impulsion à 90° est suivie après un délai $TE/2$ d’une impulsion à 180°, puis le signal est mesuré au temps $TE$ lorsque les protons sont refocalisés.

Compléments

• L’écho de gradient est une séquence courte mais recueille moins facilement l’intensité maximale du signal, tandis que l’écho de spin élimine temporairement le déphasage dû aux inhomogénéités de $B_0$.

💡 Astuce mémo

Écho de gradient : 90° seul ; écho de spin : 90° puis 180°

📖 9. Paramètres T1 T2 TE et TR

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de répétition : Durée séparant deux répétitions d’une séquence et conditionnant le temps laissé à l’aimantation longitudinale $M_z$ pour repousser.
• Temps d’écho : Durée entre l’impulsion d’excitation à 90° et la remontée du signal mesuré après la refocalisation.

★ À maîtriser

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

Compléments

• Le nombre de répétitions de la séquence dépend du nombre de lignes de l’image : une image de 256 lignes nécessite 256 répétitions.

💡 Astuce mémo

T1/T2 décrivent les tissus ; TE/TR les sondent

📖 10. Contraste et produits de contraste

🔑 Notions clés & Définitions

• Gadolinium : Macromolécule paramagnétique injectée par voie veineuse à raison de 10 à 20 mL pour augmenter le contraste en IRM grâce à son effet sur la relaxation T1.

★ À maîtriser

• Pour obtenir une pondération T1, on choisit un TR court et un TE court afin de différencier les tissus selon leur repousse longitudinale tout en limitant l’influence de T2.

• Pour obtenir une pondération T2, on choisit un TR long et un TE long afin de laisser s’exprimer les différences de décroissance transversale et de réduire l’influence de T1.

• 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 ont une apparence similaire en T1 mais différente en T2.

• Le gadolinium rend les tumeurs fortement vascularisées visibles en hypersignal en se concentrant dans leurs nombreux vaisseaux.

💡 Astuce mémo

T1 : graisse claire, eau sombre ; T2 : eau claire

📖 11. Synthèse des pondérations IRM

★ À maîtriser

📌 Le TR détermine le temps de repousse de l’aimantation longitudinale et sépare les tissus selon leurs T1, tandis que le TE détermine le temps de déphasage transversal et sépare les tissus selon leurs T2.

• Une imagerie IRM complète utilise habituellement un couple d’images pondérées en T1 et en T2 pour différencier les tissus.

Compléments

• Les deux grandes familles de séquences présentées sont l’écho de gradient, fondé sur une impulsion à 90°, et l’écho de spin, fondé sur une impulsion à 90° suivie d’une impulsion à 180°.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des relaxations T1 et T2

Paramètres des pondérations IRM