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Jean-Philippe DILLENSEGER

Enseignant - Section DTS IMRT Lycée Jean Rostand de STRASBOURG

Perfectionnement en IRM Vendredi 1er octobre 2010

Le codage spatial

Les séquences

Le codage spatial en IRM

Jean-Philippe DILLENSEGER

Enseignant - Section DTS IMRT Lycée Jean Rostand de STRASBOURG

Vendredi 1er octobre 2010

Introduction / généralitésA

Domaine fréquentiel = Lien Domaine temporel <=> spatialB

C Gradients de champs magnétique = Lien Domaine temporel <=> fréquentiel

D Possibilités de codage spatial

Plan de la présentation









Jean-Philippe DILLENSEGERDTS IMRT - STRASBOURG


Echo = signal de RMN émis par les protons d’hydrogène suite à leur excitation par une onde RF


A

Il existe différents types d’échos...

- Echos de spin- Echos de gradients- Echos stimulés- ...

Echo de spin

Echo de gradient

Echo stimulé

Introduction / généralités

Il existe différents types d’échos...

Introduction / généralitésCet après-midi


A

... créés par différentes séquences ....





A






A

... qui se distinguent par :

- leurs vitesses de création d’échos- leurs possibilités de pondération- leurs sensibilités aux artefacts

- le type d’échos qu’elles créent

Introduction / généralitésIntroduction / généralitésCet après-midi


A

... qui se distinguent par :

- leurs vitesses de création d’échos- leurs possibilités de pondération- leurs sensibilités aux artefacts

- le type d’échos qu’elles créent



A

Chaque écho provient de l’ensemble du volume soumis au champ magnétique B0



A

Pour créer des images, il est nécessaire de d’imposer une origine spatiale aux échos (= codage spatial) ...



A

... à l’aide d’ outils : les gradients de champs



A

Domaine fréquentiel

Domaine temporel

Gradients


... à l’aide d’ outils : les gradients de champs


A

Le remplissage de l’espace de Fourier est nécessaire pour obtenir une image IRM

Domaine fréquentiel Domaine spatial

Relationmathématique



A

Domaine fréquentiel Domaine spatialDomaine temporel BC



A

Il existe différentes manières de remplir l'espace de Fourier D



A

Le choix du type de remplissage est indépendant du type d’écho utilisé

Echo de spin

Echo de gradient

Echo stimulé



A


Echo de spin

Echo de gradient

Echo stimulé



A


Echo de spin

Echo de gradient

Echo stimulé



A

Echo de spin

Echo de gradient

Echo stimulé



Ce matin










f(x,y,z)

s(t)

Domaine spatial

Domaine Temporel

LIEN ????

Lien Domaine temporel <=> spatialB



f(x,y,z)

s(t)

Domaine spatial

Domaine Temporel

Lien Domaine temporel <=> spatialB


Domaine Fréquentiel


B

f(x,y,z)F(kx,ky,kz)s(t)

Domaine spatial virtuel (= série de coupes)


f(x,y,z)

Domaine spatial réel (= patient)

Domaine temporel

Lien Domaine temporel <=> spatialDomaine fréquentiel


B

?




BLien Domaine temporel <=> spatialDomaine fréquentiel

Transformée de Fourier d’un signal à une dimension f(x)

Tout signal peut être «éclaté» en un nombre infini de fonctions trigonométriques (sin, cos)

f(x)




Fréquences basses = allure générale

Fréquences hautes = détails




Il est possible de classer l’ensemble de fonctions trigonométriques d’un signal dans un domaine fréquentiel (= changement de variable)

F(k)

(k)




La transformée de Fourier est la relation mathématique qui lie le domaine spatial f(x) au domaine fréquentiel F(k)

(k)

f(x) F(k)


B

F(k) = ∫f(x)e-2πikxx dx

∞

- ∞

f(x) = ∫F(k)e-2πikxx dk

∞

- ∞

TDF TDF-1

f(x)

F(k)

k


Transformée de Fourier d’un signal à une dimension f(x)Transformée de Fourier d’un signal à une dimension f(x)Transformée de Fourier d’un signal à une dimension f(x)Pour les puristes


B



Transformée de Fourier d’un signal à deux dimensions f(x,y)

TDF

TDF-1

f(x,y) F(kx,ky)



Transformée de Fourier d’un signal à deux dimensions f(x,y)

f(x,y) = ∫∫ F(kx,ky) e-2πi(kxx+ kyy) dkxdky F(kx,ky) = ∫∫f(x,y)e-2πi(kxx+ kyy) dxdy

∞

- ∞

∞

- ∞

TDF

TDF-1

f(x,y) F(kx,ky)

(x,y)e-2πi(kxi(kxi(k x+ kyx+ kyx+ k y) yy) y dxdy

F(kF(kF ,k )

Pour les puristes



Propriétés de l’espace de Fourier


B

kx

kx

ky

ky

Basses fréquences

Hautes fréquences


Propriétés de l’espace de Fourier


BLien Domaine temporel <=> spatial

Centre de l’espace K=> contraste de l’image

Périphérie de l’espace K=> détails de l’image

Domaine fréquentielPropriétés de l’espace de Fourier

Illustration P. CHOQUET / CHU Strasbourg




D Possibilités de codage spatialD Possibilités de codage spatial





CLien Domaine temporel <=> fréquentielGradients de champs magnétique


t

f(x,y,z)

Domaine spatial


Domaine spatial Domaine temporel




t

Domaine spatial


f(x,y,z)

Domaine spatial Domaine temporel

s(t) + application de gradients de champs

dans 3 directions

L’usage de gradients est impératif en IRM = lien tps <=> fréquence



Gradients de champs : représentation spatiale



Gradients de champs : représentation spatiale / temporelle



Codage de fréquence

Gradients de champs : codage par la fréquence



Codage de phase

Gradients de champs : codage par la phase



Codage de fréquence

Codage de phase

Gradients de champs : bilan des codages



a. Si application d’un gradient pendant les ondes RF

L’écho renferme les informations d’une seule coupe ou tranche(perpendiculaire à l’axe d’application)et non du volume complet

= codage de fréquence

α α

Gradient



a. Si application d’un gradient pendant les ondes RF= codage de fréquenceL’écho renferme les informations d’une seule coupe ou tranche(perpendiculaire à l’axe d’application)et non du volume complet



a. Si application d’un gradient pendant les ondes RF= codage de fréquenceL’écho renferme les informations d’une seule coupe ou tranche(perpendiculaire à l’axe d’application)et non du volume complet



b. Si application d’un gradient pendant l’écho



b. Si application d’un gradient pendant l’écho= codage de fréquence

α α

Gradient




Le signal mesuré au cours de la lecture sera transféré directement dans l’espace k en fonction de l’axe d’application du gradient





Le signal mesuré au cours de la lecture sera transféré directement dans l’espace k en fonction de l’axe d’application du gradient


k= (γ/2π).G.(t-TE)γen MHz/T en s-1/T

G en T.m-1

t (instant) en s

kz en m-1 => Fréquence spatiale

Lien entre Echo et espace K

Si t>TE => k >0Si t<TE => k <0Si t<TE => k <0



c. Si application d’un gradient entre l’onde RF et l’écho.

Le signal contiendra déjà, lors de sa lecture, un adressage fréquentiel le long de l’axe d’application du gradient (de phase)

= codage de phase

k= (γ/2π).G.Tα α

Gradient

Si G>0 => k >0Si G<0 => k <0

G

T

G en T.m-1

T (durée d’application) en s




Le signal contiendra déjà, lors de la lecture, un adressage fréquentiel le long de l’axe d’application du gradient (de phase)

= codage de phase


Gradient

Si G>0 => k >0Si G<0 => k <0

G en T.m-1





Le signal contiendra déjà, lors de la lecture, un adressage fréquentiel le long de l’axe d’application du gradient (de phase)

= codage de phase


Gradient

Si G>0 => k >0Si G<0 => k <0

G en T.m-1




k-théorème : Le signal RMN s(t) réceptionné est l’équivalent d’une transformée de Fourier F du volume f(x,y,z) soumis à des gradients de champs magnétiques.

s(t) = F{f(x,y,z)} (kx,ky,kz)


t

f(x,y,z)

s(t) + application de gradients de champs

dans 3 directions



TR = 1cycle n

TE

cycle n-1 cycle n+1

α α

Gz

Gy

Gx

s(t)

Selon le théorème k, l’obtention du volume f(x,y,z) en IRM impose le remplissage de l’espace K selon ses coordonnées (kx,ky,kz)

Cela nécessite la mise en place de 3 gradients de champs (Gx, Gy, Gz) à des instants précis du cycle.

? ? ?













TR = 1cycle n

TE

cycle n-1 cycle n+1

α α

Gz

Gy

Gx

s(t)

? ? ?Il existe plusieurs possibilités de codage du signal.



α α

Gz

Gy

Gx

Possibilité 1 : Etude « voxel par voxel »



α α

Gz

Gy

Gx

- Application simultanée de 3 gradients de champs lors de l’impulsion RF.

- 1 écho = 1 voxel du volume

- Il faut générer autant d’échos (cycles) que de voxels souhaités. => déplacement du patient / Gradients différents / RF différente

- Le passage par l’espace K n’est pas nécessaire


- Méthode longue, peu exploitée, abandonnée : DAMADIAN - FONAR 1977



- Application simultanée de 3 gradients de champs lors de l’impulsion RF.

- 1 écho = 1 voxel du volume

- Il faut générer autant d’échos (cycles) que de voxels souhaités. => déplacement du patient / Gradients différents / RF différente

- Méthode longue, peu exploitée, abandonnée : DAMADIAN - FONAR 1977- Le passage par l’espace K n’est pas nécessaire




Remplissage «radial» de l’espace-K Possibilité 2 : kx

ky



TEα α

Gz

Gy

Gx

kx

ky

- Sélection d’une coupe par codage de fréquence pendant RF.

- 1 écho = 1 ligne de l’espace k de la coupe

- Gradient de fréquence en x et y lors de la lecture de l’écho :

- 1 coupe = espace k (TF2D)

kx= (γ/2π).Gx(t-TE)ky= (γ/2π).Gy(t-TE)

changement à chaque cycle

Remplissage «radial» de l’espace-K Possibilité 2 :



kx

ky

- Avantages : Bon contraste car passage systématique par le centre de l’espace k / Pas de repliement car pas de codage en phase

- Inconvénients : Artéfacts en étoile / Utilisation de filtres nécessaires pour combler les lacunes périphériques de remplissage de l’espace k- Utilisé en IRM cardiaque, IRM de diffusion / Séquences anti-mouvements (Propeller ....)

Possibilité 2 : Remplissage «radial» de l’espace-K



kx

ky

- Avantages : Bon contraste car passage systématique par le centre de l’espace k / Pas de repliement car pas de codage en phase

- Inconvénients : Artéfacts en étoile / Utilisation de filtres nécessaires pour combler les lacunes périphériques de remplissage de l’espace k- Utilisé en IRM cardiaque, IRM de diffusion / Séquences anti-mouvements (Propeller ....)

Possibilité 2 : Remplissage «radial» de l’espace-K



TEα α

Gz

Gy

Gx

- Sélection d’une coupe par codage de fréquence pendant RF.

- 1 écho = 1 ligne de l’espace k de la coupe

- Gradient de fréquence en x lors de la lecture de l’écho

- 1 coupe = espace k (TF2D)

- Gradient de codage de phase en y avant la lecture de l’écho

kx= (γ/2π).Gx(t-TE)

ky= (γ/2π).Gy.T

kx

kychangement à chaque cycle

Remplissage «linéaire» de l’espace-K Possibilité 3 :



kx

ky

- Technique la plus utilisée- Séquences Echos de Spin, Echo de gradient, Echo de Spin rapide, ....- Avantages : Pas d’artéfacts en étoile / accès à des pondérations pures

- Inconvénients : Coupes>1,5 mm par manque de signal => pas d’isotropie /Artéfacts de repliement en y (lié au codage de phase)/ long si coupes fines

Remplissage «linéaire» de l’espace-K Possibilité 3 :



- 1 écho = 1 espace K

Méthode d’ « écho planar »kx

ky

- Remplissage de l’espace K par « aller-retour »- Alternance rapide des gradients = Intensité sonore élevée

TEα

Gz

Gy

Gx

- Imagerie très rapide

Possibilité 4 :



- 1 écho = 1 espace K- Remplissage de l’espace K par « aller-retour »- Alternance rapide des gradients = Intensité sonore élevée- Imagerie très rapide- Artefacts de distorsion- Exploitée en Imagerie de Diffusion, Perfusion, Fonctionnelle

Méthode d’ « écho planar »Possibilité 4 :



- 1 écho = 1 espace K- Remplissage de l’espace K par « aller-retour »- Alternance rapide des gradients = Intensité sonore élevée- Imagerie très rapide- Artefacts de distorsion- Exploitée en Imagerie de Diffusion, Perfusion, Fonctionnelle

Méthode d’ « écho planar »Possibilité 4 :



kx

ky

TEα α

Gz

Gy

Gx

- Remplissage de l’espace K en «spirale»- remplissage en une fois ou en plusieurs étapes (= plusieurs échos)- Imagerie rapide - Très exploitée en Angio-IRM Gado

Possibilité 5 : Remplissage élliptique



- Remplissage de l’espace K en «spirale»- remplissage en une fois ou en plusieurs étapes (= plusieurs échos)

TEα α

Gz

Gy

- Imagerie rapide - Très exploitée en Angio-IRM Gado- Souvent exploitée en 3D = Acquisition volumique

Possibilité 5 : Remplissage élliptique

Gx



TEα α

Gz

Gy

Gx


Coupe épaisse (=volume)

ky

kzkzkzk- Acquisition d’un volume (ou d’une tranche épaisse) = 3D.

- 1 écho = 1 ligne de l’espace k (du volume)

- Gradient de fréquence en x lors de la lecture de l’écho

- Espace k volumique (TF3D)

- Gradient de codage de phase en y et en z avant la lecture de l’écho

kx= (γ/2π).Gx(t-TE)

ky= (γ/2π).Gy.T kz= (γ/2π).Gz.T

kx

Acquisition «volumique»Possibilité 6 :



ky

kzkzkzk

kx

- Technique en devenir : Angio / Haut champ (3T)

- Nécessite des séquences très rapides : EGR, ESR et dérivées...

- Avantages : Pas d’artéfacts en étoile / Pas de filtres nécessaires / accès à des coupes fines (<1mm) => isotropie- Inconvénients : Acquisitions longues (>6min (hors angio)) / Nécessite un S/B très élevé (3T) / difficultés d’obtentions de contrastes purs (T1, T2,..)

Acquisition «volumique»Possibilité 6 :



Axe d’avenir : méthode itérativeTEα α

Gz

Gy

Gx

s(t)


- Obtention et exploitation de «projections» sur 360° (comme pour la méthode 2)- Reconstruction par méthode itérative (idem TEP) = abandon de la méthode par rétroprojection filtrée



Axe d’avenir : méthode itérativeSIEMENS 2010 : EGR-T1 - Acquisition radiale - Reconstruction itérative - cadence : 30 images/sec

- Obtention et exploitation de «projections» sur 360° (comme pour la méthode 2)- Reconstruction par méthode itérative (idem TEP) = abandon de la méthode par rétroprojection filtrée- Nécessite moins de projections donc moins de temps ! Possibilité de reconstruire des coupes à des temps t différents (30 images/sec).- Pas d’artéfacts en étoile- Exploitée pour les acquisitions en tps réel hors synchro !

http://www.youtube.com/watch?v=uTOhDqhCKQs&feature=player_embedded

