Echo de Spin » et - sfrnet.org interne 2010b.pdf · Base physique IRM Séquences « Echo de Spin » et « Echo de Gradients » Jacques Felblinger UHP- INSERM U947 [email protected]

Base physique IRMSéquences

« Echo de Spin » et «Echo de Gradients»« Echo de Spin » et «Echo de Gradients»

Jacques Felblinger

UHP- INSERM [email protected]

Magnetic Resonance Imaging (MRI)Kernspintomography

Bibliographie

- Collection d'imagerie radiologique, Comprendre l'IRM, Masson, B Kastler- MRI from Picture to Proton, , Cambridge, McRobbie et al.- MRI the basic, Lippincott, Hashemi et al. - Handbook of MRI, Pulse Sequences, Bernstein et al- Magnetic Resonance Imaging, Springer, M Vlarrdingerbroek- MRI, physical Principles and Sequence Design, Haake et al

Sociétés Savantes:ISMRM.org, ESMRMB.org GRAMMCERFSFR

Fréquence de résonance, fréquence de Larmor

ν

ν

BExcitation,émission d’énergie

Récupération,

ν

ν

Bγ

= *2π

Récupération,réception d’énergie

Β1: υ = fréquence de résonance (Hz)γ = rapport gyromagnétique (fonction de l'atome)B0 = 1.5 Tesla, υ= 64 ΜΗz = 64 000 000 Hz

Générateur + Amplificateur Antenne B0

1ère expérience IRM (1)

T/R

t

Sequence IRM (Pulse Sequence Diagram)

t

EmissionB1 (RF)

Réception

Free Induction Decay (FID)

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception



Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait B0: décroissance T2

e-t/T2

t

B0 B0= champ statique, B1= champ radiofréquence

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Mz

Mxy

Longitudinal, T1

0 50 100 150 200 250 3000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

y

x

Transversale, T2

Longitudinal, T1

Relaxation T1

Excitation puis retour à l'équilibreconstante de temps T1, LongitudinaleMz=Mo(1-exp(t/T1))

0.9

1

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8T1=500 ms5*T1= 98%

T1graisse=260msT1muscle=870msT1 LCR=2400ms

63%RetourÀ l’équilibre

Relaxation T2

Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversaleinteraction spin-spin constante de temps T2Mz=exp(t/T2))T2<<T1

T2=50 ms0.8

0.9

1

T2=50 ms5*T2= 98%

T2 graisse=80msT2 muscle=45msT2 LCR=160ms

63%

0 50 100 150 200 250 3000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

37%Plus de signal

(à savoir)Relaxation T1 et T2

ν

ν

ν

B

B

γ= *2π

pour retour à l’équilibre

- 2 constantes de Temps T1 et T2

-T1 et T2 est fonction de la structure moléculaire

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception

TransmitRF

ReceiveRF

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

Energie

Angle de bascule(flip angle)

Réception90° 180°0°

Angle de bascule α =90°le plus de signal, bascule dans le plan xy

Angle de bascule (flip angle)

Mz

Angle de bascule en degrés90° = max signal, mais on peut appliquer moins

Plus l’angle est petit, moins d’énergie est transmisePlus vite on peut recommencer une nouvelle mesure

Mz

Mxy

(à savoir)Relaxation T1 et T2

ν

ν

ν

B

B

γ= *2π

- une impulsion de 90°, passage dans plan transversal

- pour retour à l’équilibre

- 2 constantes de Temps T1 et T2

(un peu de pratique)Orientation B0 et B1

B0 dans l’axe du tunnel

B0B0

Par définition: axe z

Axe antenne dansPlan perpendiculaire B0

Antennes dédiées

Spine ExtremitiesExtremities

Torso-pelvis Coeur Extrémités

Antennes volumiquesAntennes volumiques

Antennes de surface

Orientation B0 et B1

B0Comment placé une antenne couIdéalement?

Signal?

Comment comprendre l’IRM ?

1) Quelques expériences de basea) Comprendre d’où vient le signalb) Relaxation T1, T2, T2*c) Echo de spin (spin echo)d) Echo de gradients(Gradient Echo)

2) Contraste en IRMν

ν

ν

B

B

γ= *2π

3) Formation de l’imagea) Excitation d’une coupeb) Codage en fréquencec) Codage en phased) « vrai » séquence IRM

ν B= *2π

(en pratique)Homogénéité de B0

B0= 1,5T -> fréquence de Larmor = 64 000 000Hz

Zone homogène

B0

- B0 est homogène seulement dans une sphère de 50 cmau milieu de l’aimant. homogénéité en ppm (décalage 1/1000 000, quelques mT = quelques Hz)

- Conséquence: il faut toujours déplacer la région d’intérêt au milieu de l’aimant

- Réglage de homogénéité= SHIM (pour les séquences sensibles, pour les extrémités)

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception



Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T2

e-t/T2

t

B0homogéne

Fréquence du signal = Fréquence de résonanceSignal = ρ . sin (ωt). exp(-t/T2)

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception


1ère expérience IRM (2), cas réel

Cas 2 (réalité) Champ Magnétique imparfait, Molécule complexes: décroissance T2*

ν

ν

ν

B

B

γ= *2π

e-t/T2*t

B0

y

x

fréquence 1

fréquence 2

fréquence 1

fréquence 2

Origine de la chute plus rapide du signal

Différentes fréquences de précessions= somme vectorielle chute vite

T2 T2*

Beaucoup moins de temps pour recueillir le signal

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception

FID

90

Echo de Spin (Spin Echo)

TE/2 TE/2

180

TE/2 TE/2

pas phasé phasé déphaseprogressif

DéphaséInversiondéphasage

Rephasageprogressif

phasé

(ingrédients d’une séquence)Echo de Spin

18090

Echot

TE/2 TE/2

Bascule dans plan xy Inversion Echo

Annule les inhomogénéités de B0!!! (défauts) Donc atténuation T2 pas T2*

Bascule dans plan xyDéphasage

Inversion Déphasage

EchoLecture

TE = temps d’écho

-

Echo de gradients

φ

t

t

++ t

B0

x

φ t

t

FID T2*B0

(ingrédients d’une séquence)Echo de Gradient

αEcho

t

TE/2 TE/2

Bascule pas dans le plan xy Rephasage Echo

Reste sensible aux inhomogénéités de B0!!! (défaut) T2* pas T2

Bascule pas dans le plan xyDéphasage

RephasagePar gradient

EchoLecture

TE = temps d’écho

Séquence Spin Echo/Echo de Gradient

18090 Echoligne

18090 Echoligne

TR

TE

α Echoligne

α Echoligne

α Echoligne

α Echoligne

TR

TE


18090 Echoligne

18090 Echoligne

TR

Beaucoup de temps d’attente en SE (multicoupe…)

α Echoligne

α Echoligne

α Echoligne

α Echoligne

TR

Beaucoup de temps d’attente en SE (multicoupe…)Remplissage plus rapide de l’espace k


18090 Echo 18090 Echo

TR

α Echo α Echo α Echo α Echo

TR

Energie Radiofréquence: 180° très énergétique! (SAR)

Séquence Spin Echo/Fast Spin Echo

18090 Echoligne

18090 Echoligne

TR

TR

18090 Echoligne

180 Echoligne

TR

180 Echoligne

Une seule exitation mais plusieurs lectures12-20 échos = lignes: Train d’échos (ETL)

TE1TE2

TEeffectif




ν

ν

B

B

γ= *2π


ν B= *2π

Equation du signal

a) Perturbation (changement de niveau d’énergie), impulsion radiofréquence

ν

ν

ν

B

B

γ= *2π

b) Retour à l’équilibre en fonction de 2 constantes de temps T1 et T2Dépend de la séquence d’acquisition

Equation du signal pour une séquence Echo de Spin

Mz=Mo (1-exp(-TR/T1)) exp (-TE/T2)attente lecture

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception

FID

Temps de répétition

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

TR=temps de répétition

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception

FID

TR long > 5T1

Relaxation T1

Excitation puis retour à l'équilibreconstante de temps T1, LongitudinaleMz=Mo(1-exp(t/T1))

0.9

1

T1=500 ms

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8T1=500 ms5*T1= 98%



Relaxation T2

Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversaleinteraction spin-spin constante de temps T2Mz=exp(t/T2))T2<<T1

T2=50 ms0.8

0.9

1

T2=50 ms5*T2= 98%

T2 graisse=80msT2 muscle=45msT2 LCR=160ms

63%

0 50 100 150 200 250 3000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

37%Plus de signal

Contraste T2

Long délai avant la mesure (TR>2s) = pas de contraste T1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

T1 Graisse 260msT1 Muscle 870ms

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Mesure trop tôt = peu de contraste T2 (100ms)


0.2

0.4

0.6

0.8

1

Contraste T2

Long délai avant la mesure (TR>2s) = pas de contraste T1

T1 SB 780msT1 SG 900ms

T1LCR 2400ms0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

0

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Mesure trop tôt = peu de contraste T2 (100ms)

T2 SB 90msT2 SG 100ms T2 LCR 160msTE

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pondération T1

Délai court entre mesures (TR=500ms) = contraste T1


0 100 200 300 400 500 600 7000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Mesure tôt = peu de contraste T2


TE

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Pondération T1

Délai court entre mesures (TR=500ms) = contraste T1

SB 780msSG 900ms

LCR 2400ms0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Mesure tôt = peu de contraste T2

LCR 2400ms

T2 SB 90msT2 SG 100ms T2 LCR 160ms

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Pondération densité

Délai long entre mesures (TR>2000ms) = pas de contraste T1


0 500 1000 1500 2000 25000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Mesure tard= peu de contraste T2 (<20ms)


Contraste en IRM

En fonction des paramètres d’acquisitions, TR,TE, angle etc..différents contrastes sont possibles

TR/TE 2500/30densité de proton

TR/TE 2500/90pondérée T2

TR/TE 460/11pondérée T1




ν

ν

B

B

γ= *2π


ν B= *2π

IRM

Ph

ase

TF

Espace k (matrice) Image (matrice)

Acquisition séquentiel du spectre de Fourier (espace k)puis transformée de Fourier 2D (FFT) pour obtenir l’image

Ph

ase

Fréquence

TF

Signal=A sin( ωt+φ)

Espace temps/ Espace Fréquence

Information du spectre 2D

origine origineFT 2D+

Centre du plan de Fourier

Extérieur du plan de Fourier

Détails= hautes fréquences

Contrastes= basse fréquence

Espace temps/ Espace Fréquence

- un seul mauvais point dans plan fréquence affecte toute l’image

Plan fréquencePlan image

Codage Spatial

TF


Pour coder l’espace avec 1 signal

Signal=A sin( ωt+φ)Modulation de FréquenceJouer sur la fréquence de résonance dans 1 axeSignal=A sin( ω1Dt+φ)

Modulation de PhasePerturber l’acquisition dans un axeSignal=A sin( ωt+φ1D)

Pour coder l’espace avec 1 signal

Amplitude=contraste

Gradient de champ magnétique

+-

νr

B0

γ= *2π

B devient B+∆BF devient F+∆F

1,500 T64 000 000Hz

-1,5mT-64000Hz

+1,5mT+64000Hz

Gradient: continuede -∆B à + ∆Btoutes les fréquences

1) sélection d'une coupe2) codage de l'information

64 064 000Hz63 936 000Hz

Excitation d'une coupe (slice)

10 mT/m

fréquence

ExcitationRéception

Sélection de la coupe

Réception

RésonanceTransformée de FourierPas de tranche parfaite……

Codage en phase et en fréquence

Coupe

Plan

Z

Séquence= sélection coupe + codage k


Image brute puis transformée de Fourier

PlanY

X

Ph

ase

Fréquence

TF

Gradient de lecture (fréquence)

fréquence

coupe

fo+δf

fo-δfIRM

Acquisition d’une lignede l ’espace k

Gradient de champ magnétique

+-

1,500 T64 000 000Hz

-1,5mT-64000Hz

+1,5mT+64000Hz

νr

B0

γ= *2π

B devient B+∆BF devient F+∆F

Gradient: continuede - ∆B à + ∆Btoutes les fréquences

1) sélection d'une coupe2) codage de l'information

64 064 000Hz63 936 000Hz

Grad

t

Gradient de champ magnétique= fréquence de précession différentePendant durée du gradient

Déphase du signal lié à la localisation

Gradient de phase

y

x

tPas de gradient

Gradient de phase

Codage en phase

coupe

Φ+δΦΦ-δΦ

Position de la ligne de phase

Grad

Remplissage espace k

Coupe

coupe

Coupe

X lignes de phase….Excitation Excitation

coupe+ RF

Codagephase

lecture

X lignes de phase….

Acquisition Acquisition

Préparation Préparation

Remplissage espace k (rapide)

Coupe

coupeX lignes de phase….

Excitation

coupe+ RF

Codagephase

lecture

X lignes de phase….

Acquisition Acquisition

Préparation Préparation

Acquisition

Préparation

Séquence Spin Echo

Coupe Coupe

90coupe+ RF

phase

lecture

180 90 180

TE/2 TE/2 TR

Séquence Fast Spin Echo

Coupe Coupe

90coupe+ RF

phase

lecture

180 180

TE1

TE2

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception


Nouvelle expérience IRM (1)

Gradientcoupecoupe

GradientCoupe+ refocalisation pour “rattraper” les déphasages du gradient de sélection de coupe

Gradient de champentraine un déphasage


1er impulsion Radiofréqence+ Gradient de champ magnétique(sélection de coupe, slice gradient)

= Résonance seulement sur une coupe (slice)

Impulsion: sinc=sin(x)/x

Impulsion courte (<ms)MAIS, il faut appliquer le gradient

RF

Gy (phase)

Gz (coupe)

Une vrai séquence Echo de spin

Gx (lecture)

Signal

TE/2

TR

TE/2

Relaxation T1

T1 long…. Normalement il faut attendre longtemps..Avant de refaire une nouvelle acquisition.

0.9

1

T1=500 ms

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8T1=500 ms5*T1= 98%



Aimantation résiduelle

18090

Echo t

TE

Bascule dans plan xy Lecture

TR = temps de répétition

90

Détruire l’aimantation résiduelle: Spoiler, Crusher, ….Gradient ou RF: l’idée est de déphaser, mélanger….

Bascule dans plan xyDéphasage

Lecture

α α α EchoLecture

1) Séquence écho de spin2) Séquence Fast Spin Echo3) Séquence écho de gradient4) Effet des gradients5) SAR et Spin echo6) SAR et Gradient écho7) Pondération/T1 T2

Questions: [email protected]

15-20 minutes pendant la conférence Recherche vendredi…..…. sur les cours de base physique…..

Bibliographie

- Collection d'imagerie radiologique, Comprendre l'IRM, Masson, B Kastler- MRI from Picture to Proton, , Cambridge, McRobbie et al.- MRI the basic, Lippincott, Hashemi et al. - Handbook of MRI, Pulse Sequences, Bernstein et al- Magnetic Resonance Imaging, Springer, M Vlarrdingerbroek- MRI, physical Principles and Sequence Design, Haake et al

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TF

Artéfacts liés à la technique d’imagerie :artéfact de troncature (Gibbs)

TF

TF


10 mT/m

fréquence

fo+δf

fo-δf

20 mT/m

IRMExcitationRéception

Sélection de la coupe

fo-δf Réception

Résonance

Grad

180° 90°

Mz = M0 (1 – 2e-t/T1)

Mxy = M0 (1 – 2e-TR/T1) e-t/T2

Séquence Inversion-récupération

Suppression tissulaire

TI

Mxy = M0 (1 – 2e-TR/T1) e-t/T2

� Possibilité de supprimer un tissu en ajustant le TI !!

t

Gradient dans une direction qui a un effet sur la phase

x

-

Echo de gradients

Gradient dans une direction qui a un effet sur la phase

φ

t

t

++

φ t

t

Préparation –Acquisition: Echo de gradients

Coupe

coupe

Excitation

-

φ

t

t

++

coupe+ RF

Codagephase

lecture Acquisition

Préparationt

Combien d’échos de spin possible

exp(-t/T2)

18090 180

exp(-t/T2*)

Temps qu’il y a du signal…. <<5*T2

t

t

EmissionB1 (RF)

Réception


Expérience 1 avec Gradient de champ magnétique

Gradientcoupe

e-t/T2**t

Applique un gradient de champ Magnétique: encore plus imparfait décroissance T2**

coupe

Espace k (espace des fréquences)

Basses fréquences

Transformée deFourier

Hautes fréquences

Disque de 15 pixels de rayon

Transformée deFourier

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