Fiche de révision : IRM : signal, codage et contraste

📋 Plan du Cours

1. Fondements historiques et physiques de l’IRM
2. Résonance magnétique nucléaire
3. Précession et aimantation nucléaire
4. Relaxation longitudinale et transversale
5. Détection du signal FID
6. FID et transformée de Fourier
7. Codage spatial par gradients
8. Localisation et reconstruction des voxels
9. Séquences écho de gradient et de spin
10. Paramètres TR, TE et contraste
11. Pondérations et produit de contraste
12. Synthèse des séquences IRM

📖 1. Fondements historiques et physiques de l’IRM

★ À maîtriser

• L’IRM utilise un champ magnétique et des radiofréquences, mais elle est non irradiante car elle n’emploie pas de rayons X, contrairement à la radiographie et au scanner.

• 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, avec des appareils pouvant atteindre 11,7 T en France.

Compléments

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

• Les premières applications de l’imagerie clinique par résonance magnétique ont eu lieu en 1977, puis l’IRM s’est diffusée largement 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 environ 100 000 fois moins intense qu’un champ d’IRM de 3 T.

💡 Astuce mémo

Champ magnétique + radiofréquence → signal exploitable en image

📖 2. Résonance magnétique nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonance : Phénomène dans lequel un système physique accumule de l’énergie lorsque cette énergie lui est appliquée périodiquement à une fréquence proche de sa fréquence propre de résonance.
• Magnétisme nucléaire : Propriétés magnétiques des noyaux atomiques, notamment des protons d’hydrogène qui peuvent agir comme de petits aimants sous l’effet du champ magnétique de l’IRM.
• Magnétisme : Ensemble des phénomènes physiques dans lesquels des objets exercent des forces attractives ou répulsives sur d’autres matériaux.

📝 Points essentiels

• Le corps humain étant constitué d’environ 70 % d’eau, l’IRM s’intéresse principalement aux protons des noyaux d’hydrogène de l’eau.

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

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

💡 Astuce mémo

B0 aligne les spins, B1 les fait résonner

📖 3. Précession et aimantation nucléaire

★ À maîtriser

📌 Sans champ magnétique appliqué, les orientations des spins sont aléatoires et la somme des moments magnétiques est nulle, tandis que sous B0 les spins s’orientent parallèlement ou antiparallèlement au champ.

• Sous B0, une proportion légèrement supérieure de protons s’aligne parallèlement au champ et une proportion moindre s’aligne antiparallèlement, ce qui crée une aimantation longitudinale nette M orientée selon B0.

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

Compléments

• Plus l’intensité du champ B0 augmente, plus la fréquence de Larmor augmente.

💡 Astuce mémo

B0 → orientations → précession → aimantation M

📖 4. Relaxation longitudinale et transversale

🔑 Notions clés & Définitions

• Champ B1 : Champ magnétique alternatif, perpendiculaire à B0, créé par un courant alternatif dans une bobine et utilisé pour faire entrer les protons en résonance.

★ À maîtriser

• Pour une IRM à 3 T, la fréquence de résonance du proton est réglée à 3 × 42,6 MHz, soit 127,8 MHz.

• Après une impulsion B1 à 90°, l’aimantation M est basculée dans le plan transversal, puis l’arrêt de B1 permet son retour progressif vers sa position parallèle à B0.

📐 Formule — La relaxation longitudinale suit $M_z(t)=M_z(0)\left(1-e^{-t/T_1}\right)$, tandis que la relaxation transversale suit $M_{xy}(t)=M_{xy}(0)e^{-t/T_2}$.

• À t = T1, 63 % de l’aimantation longitudinale Mz est réapparue, tandis qu’à t = T2 il reste 37 % de l’aimantation transversale Mxy, soit 63 % ayant disparu.

📌 T1 est la constante de relaxation longitudinale, aussi appelée spin-réseau, tandis que T2 est la constante de relaxation transversale, aussi appelée spin-spin.

Compléments

• Les valeurs de T1 sont supérieures aux valeurs de T2, les valeurs de T1 et T2 sont maximales dans l’eau et les valeurs de la graisse sont plus faibles.

💡 Astuce mémo

T1 fait repousser Mz, T2 fait disparaître Mxy

📖 5. Détection du signal FID

🔑 Notions clés & Définitions

• Free Induction Decay : Décroissance du signal RMN enregistrée après l’arrêt de l’impulsion de radiofréquence B1, lorsque la composante transversale Mxy diminue.
• Transformée de Fourier : Traitement mathématique qui dissocie les différentes fréquences présentes dans le signal FID afin d’obtenir un spectre de résonance.

📝 Points essentiels

• Après l’arrêt de B1, la diminution de Mxy induit un courant alternatif dans une antenne placée perpendiculairement à B0, et ce courant constitue le signal détectable.

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

💡 Astuce mémo

Arrêt de B1 → décroissance de Mxy → courant détecté

📖 6. FID et transformée de Fourier

🔑 Notions clés & Définitions

• Free induction decay : Décroissance libre du signal RMN, dont l’amplitude diminue avec le temps tandis que les fréquences d’oscillation restent stables.

★ À maîtriser

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

• La transformée de Fourier convertit l’amplitude en fonction du temps en amplitude en fonction de la fréquence et dissocie les fréquences composant le signal.

Compléments

• Un signal combinant une note à 440 Hz et une note à 698 Hz produit deux pics de transformée de Fourier, dont l’amplitude dépend de l’amplitude de chaque note.

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

💡 Astuce mémo

Relaxation de Mxy → décroissance du signal → spectre fréquentiel

📖 7. Codage spatial par gradients

🔑 Notions clés & Définitions

• Codage spatial : Détermination de l’origine spatiale du signal IRM grâce à des gradients de champ magnétique qui modifient localement la fréquence de résonance.

★ À maîtriser

• Le gradient de sélection de coupe associe une fréquence de résonance différente à chaque coupe afin d’identifier la zone anatomique étudiée.

📌 Le gradient de fréquence Gω est appliqué pendant la mesure et code la coordonnée x en faisant tourner les protons à des vitesses différentes selon leur position.

• Le gradient de phase Gφ est appliqué après la sélection de coupe et avant la mesure, puis les protons conservent leur déphasage lorsque le gradient disparaît.

Compléments

• Les gradients de champ magnétique additionnels utilisés pour le codage spatial sont de l’ordre de 10−4 Tesla/cm.

💡 Astuce mémo

Fréquence en x, phase en y

📖 8. Localisation et reconstruction des voxels

★ À maîtriser

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

• L’amplitude A0 traduit l’intensité de l’aimantation transversale et est convertie en niveau de gris dans l’image.

📌 Une paire de valeurs fréquence-phase (ω, φ) constitue une signature de position permettant de localiser l’information dans l’espace.

Compléments

• La reconstruction IRM associe à chaque voxel une localisation spatiale et une intensité de niveau de gris, puis assemble les voxels pour former l’image.

📖 9. Séquences écho de gradient et de spin

📝 Points essentiels

• Une séquence IRM utilise successivement un gradient de sélection de coupe, une ou plusieurs impulsions radiofréquence, un gradient de phase, un gradient de fréquence et le recueil du signal.

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

📌 Dans l’écho de gradient, le déphasage lié aux inhomogénéités de B0 s’ajoute au déphasage tissulaire et produit un temps T2* plus court que T2.

• Dans l’écho de spin, l’impulsion à 180° inverse les moments magnétiques, ce qui permet aux protons rapides de rattraper les protons lents et d’annuler le déphasage systématique lié aux inhomogénéités de B0.

📌 Dans une séquence écho de spin, l’impulsion à 180° est appliquée après un délai TE/2 et le signal est mesuré au temps TE après l’impulsion à 90°.

💡 Astuce mémo

90° → déphasage → 180° → écho

📖 10. Paramètres TR, TE et contraste

🔑 Notions clés & Définitions

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

📝 Points essentiels

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

• Pour obtenir une image pondérée en T1, il faut utiliser 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, il faut utiliser un TR long et un TE long afin de laisser les tissus se différencier selon leur décroissance transversale.

💡 Astuce mémo

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

📖 11. Pondérations et produit de contraste

🔑 Notions clés & Définitions

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

📌 En pondération T1, l’eau et l’air ont un aspect similaire, tandis qu’en pondération T2 ils sont différenciés par l’hypersignal de l’eau et l’hyposignal de l’air.

Compléments

• En contraste T1, l’eau est en hyposignal, le cortex est gris et la substance blanche est en hypersignal.

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

• Les tumeurs, fortement vascularisées, peuvent apparaître en fort hypersignal après injection de gadolinium.

💡 Astuce mémo

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

📖 12. Synthèse des séquences IRM

📝 Points essentiels

📌 L’écho de gradient utilise une seule impulsion à 90°, tandis que l’écho de spin utilise une impulsion à 90° puis une impulsion à 180° pour former l’écho.

📌 Une image IRM complète associe généralement une pondération T1 et une pondération T2 afin de différencier les tissus grâce à leurs réponses complémentaires.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des relaxations T1 et T2

Paramètres des pondérations IRM