Gradient Echo

Report
Base physique IRM
Séquences
« Echo de Spin » et « Echo de Gradients »
Magnetic Resonance Imaging (MRI)
Kernspintomography
Jacques Felblinger
UHP- INSERM U947
[email protected]
Bibliographie
http://www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN - IRM pas à pas
- Guide des technologies de l’imagerie médicale, Masson, Dillenseger/Moerschel
- Collection d'imagerie radiologique, Comprendre l'IRM, Masson, B Kastler
- MRI from Picture to Proton, , Cambridge, McRobbie et al.
Bibliographie
- Handbook of MRI, Pulse Sequences, Bernstein et al
- Magnetic Resonance Imaging, Springer, M Vlarrdingerbroek
- MRI, physical Principles and Sequence Design, Haake et al
Le Web
ISMRM
www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN
JMRI et MRM
ESMRMB
GRAMM devient SFRMBM
Comment comprendre l’IRM ?

B

 =


*
B
1)
a)
b)
c)
d)
Physique de l’IRM
Comprendre d’où vient le signal
Relaxation T1, T2, T2*
Echo de spin (spin echo)
Echo de gradients (Gradient Echo)
2)
a)
b)
c)
d)
Formation de l’image
Excitation d’une coupe
Codage en fréquence
Codage en phase
« vrai » séquence IRM
3) Contraste en IRM
Comment ça marche?
Champ magnétique (le plus grand possible): 1,5T = 30 000 x Champ terrestre
Émetteur - Récepteur Radiofréquence
Principe de base de l’IRM
Etape 1
Etape 2
Champ magnétique intense
(supraconducteur)
Etape 3
Apport d’énergie radiofréquence,
Absorption d’énergie dans le corps
=

 *
Récupération (relaxation),
Réception d’énergie radiofréquence
B
u = fréquence de résonance (Hz)
 = rapport gyromagnétique (fonction de l'atome)
B standard =1.5 Tesla, u= 64 MHz = 64 000 000 Hz
Onde radiofréquence
Émetteur: toutes les fréquences de la bande FM
Accord avec le récepteur (sélection fréquence)
L’IRM utilise le même type de fréquence que le poste radio.
Champ magnétique additionel
 =
r

*

B
Champ magnétique statique
Fréquence = 64 000 000 Hz
Oreille droite: 1,5T + 1,5mT
Fréquence = 64 064 000Hz
Oreille gauche: 1,5T -1.5mT
Fréquence = 63 936 000Hz
= codage spatial
0
-1,5mT
+1,5mT
-64000Hz
+64000Hz
63 936 000Hz
64 064 000Hz
1,500 Tesla
64 000 000Hz
Champ magnétique additionnel
Champ magnétique statique
(Supra-conducteur)
Spires supplémentaires
gradient de champ (axe z)
 =
r

*

B
0
1ère expérience IRM (1)
Générateur + Amplificateur + Antenne d’émission

Bo

Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception
Antenne de réception
1ère expérience IRM (1)
Générateur + Amplificateur + Antenne d’émission

Bo

Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception
Emission
B1 (RF)
Réception
t
Free Induction Decay (FID)
t
Sequence IRM (Pulse Sequence Diagram)
1ère expérience IRM (2)
Emission
B1 (RF)
Réception
t
Free Induction Decay (FID)
t
Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T2
e-t/T2
B0
homogéne
Fréquence du signal = Fréquence de résonance
Signal = ρ . sin (ωt). exp(-t/T2)
1
Mz
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
Mxy
Longitudinal, T1
y
1
0.9
e-t/T2
0.8
0.7
0.6
0.5
x
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
250
300
Transversale, T2
3000
Origine de la chute plus rapide du signal
fréquence 1
y
fréquence 2
fréquence 1
fréquence 2
x
Différentes fréquences
= somme vectorielle chute vite
T2
Différentes fréquences = liées à la structure moléculaire
(liées à la qualité du champ magnétique)
Relaxation T2 (amplitude du signal mesurée)
Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversale
interaction spin-spin constante de temps T2
Mz=exp(t/T2))
T2<<T1
1
0.9
0.8
T2=50 ms
5*T2= 98%
0.7
0.6
63%
0.5
0.4
T2 graisse=80ms
T2 muscle=45ms
T2 LCR=160ms
37%
0.3
Plus de signal
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
250
300
Relaxation T1 (mémoire Mz)
Excitation puis retour à l'équilibre (spin-réseau)
constante de temps T1, Longitudinale
Mz=Mo(1-exp(t/T1))
1
0.9
T1=500 ms
5*T1= 98%
0.8
0.7
63%
0.6
T1graisse=260ms
T1muscle=870ms
T1 LCR=2400ms
Retour
À l’équilibre
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Révision (B0, B1, T1, T2)
Aimant (magnet): dispositif produisant le champ magnétique principal (appelé B0) = 1,5T
Antenne (coil) : Élément utilisé en IRM pour l’émission et le recueil du signal.
( tête, cou, abdomen, pelvis, membre, etc..)
Champ Radiofréquence (RF): Onde radiofréquence similaire à celles utilisées pour la
radiodiffusion (appelé B1) 64MHz à 1,5T 128MHz à 3T

pour retour à l’équilibre
B
Constantes de Temps T1 et T2
T1 = relaxation longitudinale
T2 = relaxation transversale

 =


*
B
T1 et T2 = fonction de la structure moléculaire
(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 cm au 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)
(en pratique) B1 (antenne) perpendiculaire à B0
B0
B0 dans l’axe du tunnel
Par définition: axe z
Axe antenne dans
Plan perpendiculaire B0
B0
Antennes dédiées
Spine
Torso-pelvis
Coeur
Extremities
Extrémités
Antennes volumiques
Antennes de surface
Orientation B0 et B1
B0
Comment placé une antenne cou
Idéalement?
Signal?
90° ? Angle de bascule (flip angle)
TransmitRF
Energie
t
Emission
B1 (RF)
1,2
1
0,8
0,6
ReceiveRF
Réception
t
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40 50
60
70
80
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190
-0,2
0°
90°
180°
Angle de bascule α =90°
le plus de signal,
bascule dans le plan xy
Angle de bascule (flip angle)
Angle de bascule en degrés
90° = max signal, mais on peut appliquer moins
une impulsion de 90°, passage plan transversal
Plus l’angle est petit, moins d’énergie est transmise
Plus vite on peut recommencer une nouvelle mesure
Mz
Mxy
Révision (B0, B1, angle de bascule)
B0 = champ magnétique (permanent)
Homogénéité = sphère de 40-50 cm de diamètre
Réglage du champ magnétique = Shim (bobine additionnelle)
B1 = Champ radiofréquence (impulsion courte ms)
Antenne émission ou réception perpendiculaire à l’axe de B0
Angle de bascule (amplitude + durée de l’impulsion radiofréquence) = énergie
Angle de bascule = 90° = bascule dans plan transversal
B0
Echo de Spin (Spin Echo)
180
90
Emission
B1 (RF)
t
écho
FID
t
Réception
TE/2
pas phasé
phasé
déphase Déphasé
Inversion
progressif
déphasage
TE/2
Rephasage
progressif
Phasé
ECHO
Echo de spin
180
90
RF
TE/2
TE/2
echo
z
M
Signal
b
c
d
e
f
g
O
Temps
x
y
Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T2
B0
homogéne
e-t/T2
Cas 2 (réalité) Champ Magnétique imparfait, Molécule complexes: décroissance T2*
B0 non
homogéne
T2*<T2
e-t/T2*
B0
Cas 2 (réalité) Champ Magnétique imparfait, Molécule complexes: décroissance T2*
B0 non
homogéne
T2*<T2
e-t/T2*
(ingrédients d’une séquence) Echo de Spin
180
90
Echo
TE/2
TE/2
Bascule dans plan xy
Déphasage
Inversion
Déphasage
Echo
Lecture
TE = temps d’écho
Annule les inhomogénéités de B0!!! (défauts)
Donc atténuation T2 pas T2*
t
Echo de gradients
t
+
-
φ
FID T2*
B0
t
B0 x
écho
t
Echo de Gradient
a
TE
RF
echo
z
Signal
M
Gradient
O
b
c
d
ee
f
x
Temps
y
(ingrédients d’une séquence) Echo de Gradient
α
Echo
TE/2
TE/2
Bascule pas dans le plan xy
Déphasage
Rephasage
Par gradient
Echo
Lecture
TE = temps d’écho
1) Reste sensible aux inhomogénéités de B0!!! (défaut)
T2* pas T2
2) Beaucoup plus rapide qu’un séquence écho de spin
t
Comment comprendre l’IRM ?

B

 =


*
B
1)
a)
b)
c)
d)
Physique de l’IRM
Comprendre d’où vient le signal
Relaxation T1, T2, T2*
Echo de spin (spin echo)
Echo de gradients (Gradient Echo)
2)
a)
b)
c)
d)
Formation de l’image
Excitation d’une coupe
Codage en fréquence
Codage en phase
« vrai » séquence IRM
3) Contraste en IRM
Codage en phase et en fréquence
Coupe
Séquence= sélection coupe + codage k
Z
Image brute puis transformée de Fourier
Espace k (matrice)
Plan
Phase
Y
Image (matrice)
TF
X
Fréquence
Remplissage espace k
coupe
+ RF
Codage
phase
lecture
Coupe
Coupe
Excitation
Excitation
Préparation
Acquisition
X lignes de phase….
Préparation
Acquisition
Excitation d'une coupe (slice)
Sélection de la coupe
fréquence
10 mT/m
Excitation
Réception
Résonance
Transformée de Fourier
Pas de tranche parfaite……
Excitation d'une coupe (slice)
1er impulsion Radiofréquence
+ 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 de champ magnétique
Gradient = déphasage
t
Gradient de champ magnétique
= fréquence de précession différente
Pendant durée du gradient
Déphase du signal lié à la localisation
Pas de gradient
t
y
x
Gradient de phase
coupe
Codage
en phase
Position de la ligne de phase
F-dF
F+dF
Grad
Gradient = déphase à compenser
Emission
B1 (RF)
t
Free Induction Decay (FID)
t
Réception
Gradient
coupe
Gradient
Coupe+ refocalisation
pour “rattraper” les déphasages
du gradient de sélection de coupe
Gradient de champ
entraine un déphasage
coupe
Gradient de lecture (fréquence)
fréquence
fo+df
Acquisition d’une ligne
de l ’espace k
IRM
fo-df
Gradient de champ magnétique

 =  * B
r
B devient B+B
F devient F+F
Grad
+
0
Gradient: continue
de - B à + B
toutes les fréquences
-1,5mT
+1,5mT
-64000Hz
+64000Hz
63 936 000Hz
1) sélection d'une coupe
2) codage de l'information
64 064 000Hz
1,500 T
64 000 000Hz
Remplissage espace k
coupe
+ RF
Codage
phase
lecture
Coupe
Coupe
Excitation
Excitation
Préparation
Acquisition
X lignes de phase….
Préparation
Acquisition
Une vrai séquence Echo de spin
RF
Gz (coupe)
Gy (phase)
Gx (lecture)
Signal
TE/2
TE/2
TR
Révision (Séquence)
Séquence = Excitation (sélection du plan de coupe) + déphasage (codage 1) + lecture
(codage 2)
Remplir le plan de Fourier, nb de ligne de phase = temps = nombre de TR
Un gradient de champ magnétique = déphasage du signal
Compensation de chaque gradient de champ magnétique par un gradient inverse
TR = répétition, Matrice = temps d’acquisition
Séquence Echo de Spin
TR
90
180
Echo
ligne
90
180
Echo
ligne
TE
Séquence Echo de Gradient
TR
α
Echo
ligne
TE
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
Séquence Echo de Spin/Echo de Gradient
TR
90
180
Echo
ligne
90
180
Echo
ligne
Spin Echo: Beaucoup de temps d’attente
Echo de Gradients: Remplissage rapide de l’espace k
TR
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
α
Echo
ligne
Séquence Echo de Spin/Echo de Gradient
TR
90
180
Echo
90
180
Echo
Energie Radiofréquence: 180° très énergétique! (SAR)
TR
α
Echo
α
Echo
α
Echo
α
Echo
Révision (TR, TE, Spin Echo, Echo de Gradient)
TR =temps de répétition = temps entre deux acquisitions successives
TE = temps d’écho = temps auquel l’écho est généré = signal mesurable
Angle de bascule = 90° - 180° pour une séquence spin écho, <90° en écho de gradients
Echo de Spin = séquence de base, corrige les inhomogénéités de B0, lente
Echo de gradients = séquence rapide, ne corrige pas les inhomogénéités de B0
Fast Spin Echo = 90° - 180° -180°- 180° -180°……. Plusieurs lignes
Aimantation résiduelle
T1 long…. Normalement il faut attendre longtemps..
Avant de refaire une nouvelle acquisition.
1
0.9
T1=500 ms
5*T1= 98%
0.8
0.7
Retour
À l’équilibre
63%
0.6
0.5
T1graisse=260ms
T1muscle=870ms
T1 LCR=2400ms
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Aimantation résiduelle
TR = temps de répétition
180
90
90
Echo
t
TE
Bascule dans plan xy
Déphasage
Lecture
Détruire l’aimantation résiduelle: Spoiler, Crusher, ….
Gradient ou RF: l’idée est de déphaser, mélanger….
Comment comprendre l’IRM ?

B

 =


*
B
1)
a)
b)
c)
d)
Physique de l’IRM
Comprendre d’où vient le signal
Relaxation T1, T2, T2*
Echo de spin (spin echo)
Echo de gradients (Gradient Echo)
2)
a)
b)
c)
d)
Formation de l’image
Excitation d’une coupe
Codage en fréquence
Codage en phase
« vrai » séquence IRM
3) Contraste en IRM

B
Equation du signal

 =
a)


*
B
Perturbation (changement de niveau d’énergie), impulsion radiofréquence
b) Retour à l’équilibre en fonction de 2 constantes de temps T1 et T2
Dépend 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
Temps de répétition
TR=temps de répétition
1
Emission
B1 (RF)
t
0.9
0.8
0.7
0.6
FID
0.5
0.4
t
Réception
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
TR long > 5T1
Emission
B1 (RF)
Réception
t
FID
t
2500
3000
Relaxation T1
Excitation puis retour à l'équilibre
constante de temps T1, Longitudinale
Mz=Mo(1-exp(t/T1))
1
0.9
T1=500 ms
5*T1= 98%
0.8
0.7
Retour
À l’équilibre
63%
0.6
0.5
T1graisse=260ms
T1muscle=870ms
T1 LCR=2400ms
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Relaxation T2
Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversale
interaction spin-spin constante de temps T2
Mz=exp(t/T2))
T2<<T1
1
0.9
0.8
T2=50 ms
5*T2= 98%
0.7
0.6
63%
0.5
0.4
T2 graisse=80ms
T2 muscle=45ms
T2 LCR=160ms
37%
0.3
Plus de signal
0.2
0.1
0
0
50
100
150
200
250
300
Contraste T2
Long délai avant la mesure (TR>2s) = pas de contraste T1
1
0.8
T1 Graisse 260ms
T1 Muscle 870ms
0.6
0.4
0.2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
1
0.8
T2 Graisse 80ms
T2 Muscle 45ms
0.6
0.4
0.2
0
TE
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
TE long (100ms) favorise contraste T2
Pondération T1
Délai court entre mesures (TR= 500ms) = contraste T1
1
0.8
T1 Graisse 260ms
T1 Muscle 870ms
0.6
0.4
0.2
0
0
100
200
300
400
500
600
700
1
0.8
0.6
T2 Graisse 80ms
T2 Muscle 45ms
TE
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
TE court minimise contraste T2
200
Pondération densité
Délai long entre mesures (TR>2000ms) = pas de contraste T1
1
0.8
T1 Graisse 260ms
T2 Muscle 870ms
0.6
0.4
0.2
0
0
500
1000
1500
2000
2500
1
0.8
T2 Graisse 80ms
T2 Muscle 45ms
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Mesure tôt= peu de contraste T2 (<20ms)
Révision (Pondérations T1, T2)
Pondération T1 n’est pas la mesure de T1, mais la mise en évidence des différences de T1
(idem pour T2)
Il est possible de mesure les valeurs réelles de T1 et T2 = mesure longue, peu utilisé en
pratique clinique
TR long = pas de contraste T1 (relaxation totale)
TR court = contraste T1
TE court = pas de contraste T2 (peu de relaxtion T2)
TE long = contraste T2
TE trop long = plus de signal
Pondération T1 = TR court + TE court
Pondération T2= TR long + TE « long »
Pondération densité = TR long + TE court
Contraste en IRM
En fonction des paramètres d’acquisitions, TR,TE, angle etc..
différents contrastes sont possibles
TR/TE 2500/30
densité de proton
TR/TE 2500/90
pondérée T2
TR/TE 460/11
pondérée T1
Base du signal IRM
a) Relaxation T1, T2
b) Contraste T1 et Contraste T2
c) Différence T2 ,T2*
d) Différence entre Echo de spin & Echo de gradients
e) Chronogramme d’une séquence
f) Espace de Fourier / Espace Image
Information du spectre 2D
origine
FT 2D
origine
+
Centre du plan de Fourier
Contrastes= basse fréquence
Extérieur du plan de Fourier
Détails= hautes fréquences
Espace temps/ Espace Fréquence
- un seul mauvais point
dans plan fréquence
affecte toute l’image
Plan image
Plan fréquence
Espace temps/ Espace Fréquence
Révision (Espace de Fourier)
Espace de Fourier = espace k
Centre de l’espace de Fourier = contraste de l’image (basses fréquences)
Périphérie de l’espace de Fourier = détails de l’image (hautes fréquences)
Taille de la matrice de l’espace de Fourier = taille de la matrice image
(nombre de ligne de phase = qualité de l’image)
Image = magnitude ( transformé de Fourier de l’espace k)
Contrast in Spin-Echo Images of the Brain :
Influence of TE (T2)
25 ms
50 ms
75 ms
100 ms
Contrast in Spin-Echo Images of the Brain :
Variation of Repetition Time TR (T1)
63 ms
1000 ms
125 ms
250 ms
2000 ms
500 ms
4000 ms

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