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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
Free Induction Decay (FID)
1ère expérience IRM (2)
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
Free Induction Decay (FID)
1ère expérience IRM (2)
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
Free Induction Decay (FID)
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
Séquence Spin Echo/Echo de Gradient
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
Séquence Spin Echo/Echo de Gradient
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
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
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%
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
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)
T2 Graisse 80msT2 Muscle 45ms
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
T1 Graisse 260msT1 Muscle 870ms
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
T2 Graisse 80msT2 Muscle 45ms
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
T1 Graisse 260msT2 Muscle 870ms
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)
T2 Graisse 80msT2 Muscle 45ms
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
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
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
Espace k (matrice) Image (matrice)
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
Espace k (matrice) Image (matrice)
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
Free Induction Decay (FID)
Nouvelle expérience IRM (1)
Gradientcoupecoupe
GradientCoupe+ refocalisation pour “rattraper” les déphasages du gradient de sélection de coupe
Gradient de champentraine un déphasage
Excitation d'une coupe (slice)
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%
T1graisse=260msT1muscle=870msT1 LCR=2400ms
63%RetourÀ l’équilibre
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
Sociétés Savantes:ISMRM.org, ESMRMB.org GRAMMCERFSFR
TF
Artéfacts liés à la technique d’imagerie :artéfact de troncature (Gibbs)
TF
TF
Excitation d'une coupe (slice)
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
Free Induction Decay (FID)
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