Fiche de révision : IRM et relaxation magnétique

📋 Plan du Cours

1. Fondements physiques de l’IRM
2. Résonance magnétique nucléaire
3. Spins et aimantation nucléaire
4. Précession et fréquence de Larmor
5. Excitation par le champ B1
6. Relaxation longitudinale et transversale
7. Relaxation T1 en milieu organisé
8. Relaxation transversale T2
9. Signal de décroissance libre FID
10. Transformée de Fourier et spectres
11. Codage spatial en IRM
12. Séquences écho de gradient et de spin
13. Temps et pondérations IRM
14. Contrastes tissulaires et gadolinium

📅 Repères chronologiques

1. 1947Felix Bloch et Edward Mills Purcell découvrent la RMN et reçoivent un prix Nobel pour cette découverte.
2. 1977Ont lieu les premières applications de la RMN en imagerie clinique.
3. années 1990Les imageries IRM se diffusent à grande échelle dans le domaine médical.

📖 1. Fondements physiques de l’IRM

★ À maîtriser

• L’IRM produit une image à partir d’un aimant supraconducteur en transformant un champ magnétique en signal, puis en image.

📌 Contrairement à la radiographie standard et au scanner, l’IRM n’utilise pas de rayons X et est non irradiante.

• L’aimant supraconducteur produit le champ magnétique principal B0, constant et permanent une fois l’aimantation de l’appareil installée.

Compléments

• En IRM clinique chez l’homme, l’intensité de B0 est généralement de 1,5 T ou de 3 T.

• Le champ magnétique terrestre vaut environ 0,00003 T, soit 3 × 10⁻⁵ T, et est 100 000 fois moins intense qu’un champ d’IRM de 3 T.

• Plus l’intensité de B0 est grande, plus le signal récupéré est important.

📖 2. Résonance magnétique nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonance : L’augmentation de l’énergie oscillante d’un système sous l’effet d’impulsions périodiques proches de sa fréquence propre d’oscillation.
• Magnétisme : L’ensemble des phénomènes physiques dans lesquels des objets exercent des forces attractives ou répulsives sur d’autres matériaux.

📝 Points essentiels

• Pour amplifier les oscillations d’une balançoire, il faut la pousser en respectant la périodicité de son mouvement.

💡 Astuce mémo

La balançoire reçoit une poussée au bon rythme et gagne en amplitude.

📖 3. Spins et aimantation nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Moment magnétique nucléaire : Une propriété d’une particule chargée liée à la présence de charges électriques en rotation rapide, notamment au spin du proton.

★ À maîtriser

• Le corps humain est constitué à 70 % d’eau, et l’IRM exploite principalement les propriétés magnétiques des noyaux d’hydrogène pour former une image protonique.

📌 Le moment magnétique nucléaire μ désigne celui d’un noyau individuel, tandis que l’aimantation M résulte de la somme des moments magnétiques des protons.

Compléments

• Chaque proton et chaque neutron possède un spin de 1/2, pouvant prendre les états +1/2 et -1/2.

• Un noyau dont le nombre de protons et le nombre de neutrons sont pairs a un spin total nul et ne peut pas entrer en résonance nucléaire, comme le ¹²C ou le ¹⁶O.

• Lorsque la somme du nombre de protons et de neutrons est impaire, le spin total est demi-entier et le noyau peut entrer en résonance, comme le proton H⁺.

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

• Pour l’hydrogène, le rapport gyromagnétique γ/2π vaut 42,6 MHz/T.

💡 Astuce mémo

Parallèle à B0 : basse énergie ; antiparallèle : haute énergie.

📖 4. Précession et fréquence de Larmor

★ À maîtriser

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

📐 Formule - La fréquence de Larmor vaut $\nu_0 = \frac{\omega_0}{2\pi} = \frac{\gamma B_0}{2\pi}$.

• Sous B0, davantage de spins s’orientent parallèlement au champ, en basse énergie, qu’antiparallèlement, en haute énergie.

• La somme des moments magnétiques sous B0 forme une aimantation nette M orientée parallèlement au champ et proportionnelle au nombre de noyaux présents dans l’échantillon.

Compléments

• Plus B0 est important, plus la fréquence de Larmor est élevée.

📖 5. Excitation par le champ B1

★ À maîtriser

• Le champ B1 est un champ magnétique alternatif créé par un courant alternatif circulant dans une bobine, et il est perpendiculaire à B0.

• Une impulsion B1 réglée à la fréquence de Larmor des protons entre en résonance avec eux et fait basculer l’aimantation M hors de l’axe B0.

• Une impulsion B1 de 90° couche l’aimantation M dans le plan transversal, puis l’arrêt de B1 permet à M de revenir vers son orientation parallèle à B0.

Compléments

• B1 est une onde radio électromagnétique en MHz émise par une antenne.

• Pour un champ B0 de 3 T, la fréquence de Larmor du proton utilisée pour régler B1 est de 127,8 MHz.

• Les antennes d’IRM peuvent être émettrices et réceptrices, car elles servent à créer B1 et à recueillir le signal.

📖 6. Relaxation longitudinale et transversale

🔑 Notions clés & Définitions

• Relaxation : Le retour progressif de l’aimantation vers sa position initiale après l’arrêt de B1.

★ À maîtriser

📌 L’aimantation longitudinale Mz est la projection de M sur l’axe z, tandis que l’aimantation transversale Mxy est sa projection dans le plan transverse perpendiculaire à z.

• Après l’arrêt de B1, Mxy est maximale puis diminue, tandis que Mz est minimale puis repousse vers sa valeur initiale.

• T1 est la constante de relaxation longitudinale, aussi appelée constante spin-réseau, et correspond au temps nécessaire à la réapparition de 63 % de Mz.

• T2 est la constante de relaxation transversale, aussi appelée constante spin-spin, et correspond au temps nécessaire à la disparition de 63 % de Mxy, laissant 37 % de Mxy.

Compléments

📌 Les valeurs de T1 sont toujours supérieures à celles de T2 pour les tissus.

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

• Les valeurs de T1 et T2 dépendent du milieu étudié et leur association caractérise le tissu analysé.

• Les T1 et T2 sont longs dans les liquides, les T1 sont nettement supérieurs aux T2 dans les tissus pâteux comme la graisse, et T1 est très nettement supérieur à T2 dans les solides.

• T1 représente les interactions entre le système formé par B0 et le moment μ et le milieu environnant, dont l’agitation thermique provoque des fluctuations locales du champ magnétique.

💡 Astuce mémo

T1 fait repousser Mz ; T2 fait disparaître Mxy.

📖 7. Relaxation T1 en milieu organisé

📝 Points essentiels

• Dans une structure cristalline très organisée et très visqueuse comme la glace, les fréquences de vibration sont incompatibles avec celles de l’environnement et l’échange d’énergie est difficile, ce qui allonge T1.

💡 Astuce mémo

Fréquences incompatibles → échange d’énergie difficile → T1 long

📖 8. Relaxation transversale T2

🔑 Notions clés & Définitions

• Relaxation transversale T2 : T2 est la constante de relaxation transversale, aussi appelée relaxation spin-spin, qui représente les interactions d’un spin avec ses voisins et leur déphasage progressif.

📝 Points essentiels

• Un spin dans de l’eau n’a pas la même interaction selon que son environnement est constitué d’eau ou d’os.

📖 9. Signal de décroissance libre FID

🔑 Notions clés & Définitions

• Free Induction Decay : Le Free Induction Decay (FID), ou décroissance libre de l’induction, désigne la décroissance du signal RMN après l’arrêt de l’impulsion RF.

★ À maîtriser

• Après l’application puis l’arrêt de B1, l’aimantation se relaxe : sa composante longitudinale Mz augmente tandis que sa composante transversale Mxy diminue.

• La courbe FID représentant Mxy en fonction du temps est une sinusoïde d’amplitude décroissante, tandis que ses fréquences d’oscillation restent stables pendant la relaxation.

Compléments

• Le cerveau est décrit comme composé à 70 % de molécules d’eau, considérées comme de petits aimants.

• Hors de la machine IRM, les spins des petits aimants sont répartis aléatoirement et ne produisent pas d’aimantation nette.

• Dans la machine IRM, la plupart des moments magnétiques s’orientent dans le sens de B0 et d’autres dans le sens opposé.

• La fréquence de précession des protons est de 42,6 MHz par tesla.

• Une antenne placée perpendiculairement à B0 dans le plan transverse détecte un courant alternatif induit par la variation de Mxy.

• À l’instant initial T0, l’amplitude du signal est maximale et reflète la taille de la composante transversale Mxy.

• Le cours associe T2 au temps auquel 63 % de Mxy a disparu.

💡 Astuce mémo

Une spirale ascendante vers B0 tandis que le signal transversal s’éteint

📖 10. Transformée de Fourier et spectres

★ À maîtriser

• La transformée de Fourier convertit un signal exprimé en amplitude en fonction du temps en une représentation de l’amplitude en fonction de la fréquence.

• La transformée de Fourier sépare les fréquences présentes dans le signal, dont le nombre correspond aux environnements moléculaires différents détectés.

Compléments

• En spectroscopie RMN, le déplacement chimique est l’écart entre la mesure et une substance de référence.

• La combinaison d’un la à 440 Hz et d’un fa à 698 Hz produit deux pics de fréquences distinctes après transformation de Fourier.

📌 En spectroscopie RMN, l’échantillon homogène est analysé pour ses fréquences, tandis qu’en IRM il faut aussi localiser les signaux selon les voxels.

💡 Astuce mémo

Temps → fréquence : le signal mêlé devient des pics distincts

📖 11. Codage spatial en IRM

🔑 Notions clés & Définitions

• Codage spatial : Associe les signaux mesurés à leur position dans l’espace afin de savoir de quelle zone anatomique ils proviennent.

★ À maîtriser

• La sélection spatiale en IRM utilise des gradients de champ magnétique pour différencier les coupes et localiser l’origine du signal.

• Le codage en fréquence selon l’axe x est appliqué pendant la mesure du signal et fait varier les vitesses de précession selon la position sur cet axe.

• Le codage en phase selon l’axe y est appliqué après la sélection de coupe et avant la mesure ; sa durée et son intensité déterminent le déphasage spatial conservé par les protons.

Compléments

• Les gradients additionnels de champ magnétique sont de l’ordre de 10⁻⁴ Tesla/cm et sont créés par des bobines additionnelles fixes.

• Après l’arrêt du gradient de phase, les protons retrouvent leur fréquence de Larmor liée à B0, mais conservent leur décalage de phase.

📖 12. Séquences écho de gradient et de spin

★ À maîtriser

• Une séquence IRM décrite utilise successivement un gradient de sélection de coupe, des impulsions RF, un gradient de phase, un gradient de fréquence et le recueil du signal, tandis que B0 reste actif.

📌 L’écho de gradient utilise une seule impulsion RF à 90°, tandis que l’écho de spin utilise une impulsion à 90° suivie d’une impulsion à 180°.

• Dans l’écho de spin, après une impulsion à 90° et un déphasage, une impulsion à 180° inverse la position relative des spins rapides et lents, qui se remettent ensuite en phase pour former un écho.

Compléments

📌 L’écho de gradient est une séquence courte, dont le signal remonte grâce au rephasage produit par les gradients et atteint un maximum au temps d’écho, où il est recueilli.

• L’impulsion à 180° de l’écho de spin compense le déphasage systématique dû aux hétérogénéités du champ B0, mais le signal recueilli reste inférieur au signal initial en raison de la relaxation tissulaire.

💡 Astuce mémo

90° → attente TE/2 → 180° → écho à TE

📖 13. Temps et pondérations IRM

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps d’écho : Le temps d’écho (TE) est le temps séparant l’impulsion à 90° de la remontée du signal d’écho ; l’impulsion à 180° est appliquée après TE/2.
• Temps de répétition : Le temps de répétition (TR) est la durée au bout de laquelle la séquence est reproduite et il détermine le temps laissé à Mz pour repousser.

★ À maîtriser

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

• Pour obtenir une pondération T1, il faut choisir un TE court et un TR court afin de différencier les tissus avant que leurs signaux atteignent leurs valeurs de plateau.

• Pour obtenir une pondération T2, il faut choisir un TE long et un TR long afin de laisser les décroissances T2 se différencier tout en réduisant l’influence de T1.

Compléments

• Une image composée de 256 lignes nécessite, selon l’exemple du cours, 256 répétitions de la séquence.

💡 Astuce mémo

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

📖 14. Contrastes tissulaires et gadolinium

🔑 Notions clés & Définitions

• Gadolinium : Le gadolinium, utilisé sous forme de chélates, est un produit de contraste à effet paramagnétique qui agit sur la relaxation T1 pour sensibiliser la détection du signal.

★ À maîtriser

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

Compléments

• En contraste T1, l’eau et l’air réagissent de façon similaire, tandis qu’en contraste T2 l’eau apparaît claire et l’air sombre, ce qui permet de les distinguer.

• En contraste T1, l’eau apparaît noire, le cortex gris et la substance blanche blanche.

• L’injection veineuse décrite utilise 10 à 20 mL de gadolinium, puis laisse le temps à la circulation cardiovasculaire de le transporter vers la région cérébrale.

• Les tumeurs très vascularisées peuvent apparaître en fort hypersignal après l’arrivée du gadolinium dans les vaisseaux, ce qui aide à les repérer.

💡 Astuce mémo

En T1, la graisse est claire ; en T2, l’eau est claire

📊 Tableaux de synthèse

Relaxation longitudinale et transversale

Écho de gradient et écho de spin