La spectroscopie mono-voxel

Les techniques de spectroscopie RMNin vivo se démarquent des techniques em-ployées en RMN haute-résolution du fait de la nécessité de localiser spatialement le signal. Alors que les échantillons étudiés en spectroscopie RMN haute-résolution sont généralement homogènes, ce n’est pas le cas d’un organisme vivant. Ainsi, il est intéressant de réaliser une mesure de spectroscopie RMN seulement sur un organe ou un tissu spécifique. Pour ces raisons, des techniques de spectroscopie RMN dite mono-voxel ont été développées pour réaliser l’étape d’excitation uniquement sur un volume d’intérêt dont la taille et la position dans l’espace sont définies. Ce volume d’intérêt a une forme parallélépipédique et porte le nom de voxel par analogie au pixel³.

Les années 1980 ont été marquées par l’avènement d’éminents groupes de rock tels que Sonic Youth, My Bloody Valentine, Yo La Tengo, Pixies, Sebadoh ou encore Nirvana, mais également par l’apparition des premières techniques de spectroscopie mono-voxel. Ainsi, P.A. Bottomley développe la séquence PRESS⁴[Bottomley, 1987]

en 1987 au même moment que J. Frahm développe la séquence STEAM⁵ [Frahm et al., 1987]. La séquence ISIS⁶ [Ordidge et al., 1986], moins commune en SRM in vivoa été mise au point une année plus tôt, en 1986, par R. Ordidge. Le principe des séquences PRESS et STEAM est détaillé dans les paragraphes suivants. La séquence ISIS, principalement employée en spectroscopie du phosphore, ne sera pas détaillée ici.

1.3.2.1 Principe

Le développement des techniques de spectroscopie mono-voxel citées précédem-ment n’a été possible qu’avec l’arrivée des gradients de champ magnétique sur les IRM. Les gradients sont induits par des bobines, dites bobines de gradients, et vont se superposer au champ magnétique −→

B₀. Le champ magnétique principal est ainsi

3PixEl provient de la locution anglaise«Picture Element»qui signifie «élément d’image»

4Point REsolved SpectroScopy

5STimulated Echo Acquisition Mode

6Selected In Vivo Spectroscopy

modulé en intensité de façon linéaire suivant la direction où est appliqué le gra-dient. Contrairement aux spectromètres utilisés pour la spectroscopie RMN haute-résolution, les systèmes d’imagerie IRM sont toujours équipés de trois bobines de gradients permettant une modulation du champ magnétique dans les trois directions de l’espace.

Les techniques de spectroscopie mono-voxel permettent une localisation du si-gnal RMN. La sélection du volume d’intérêt est réalisée par l’intersection de trois plans orthogonaux dans l’espace. La sélection de chacun de ces plans est réalisée par l’émission d’une impulsion RF sélective en présence d’un gradient de champ magné-tique successivement appliqué dans les trois directions de l’espace. Ces techniques induisent des durées d’excitation plus importantes dues à l’ajout d’une impulsion et à l’application de gradients de champ magnétique. Les progrès réalisés dans le do-maine des bobines de gradients et des antennes d’émission ont permis de réduire ces durées de d’excitation et de gagner en RSB avec la possibilité d’acquérir des signaux de SRM in vivoà temps d’écho court ou même ultra-court [Tkác et al., 1999].

1.3.2.2 La séquence PRESS

La séquence PRESS [Bottomley, 1987] est basée sur la séquence d’écho de spin de Hahn (Cf. §1.2.5) et consiste en un motif à trois impulsions (90^◦ - 180^◦ - 180^◦).

Les deux premières impulsions sélectives 90^◦ et 180^◦ appliquées respectivement en présence des gradients G₁ et G₂, permettent de produire un écho de spin et de réaliser la sélection spatiale dans les deux premières dimensions de l’espace (xet z dans le cas de la Fig. 1.11). Le temps d’écho de ce premier écho de spin, qui n’est pas acquis, est notéT E₁. La troisième impulsion, émise en présence du gradientG₃, permet un nouveau basculement des aimantations de 180^◦ et la sélection spatiale suivant la dernière dimension de l’espace (y dans le cas de la Fig. 1.11). Un second écho de spin, dont le signal provient uniquement du voxel d’intérêt, est acquis pour t=T E avecT E =T E₁+T E₂. Les durées T E₁ et T E₂ ne sont pas nécessairement égales.

Pour accroître la qualité de la sélection spatiale, les impulsions sélectives 90^◦ et 180^◦ ont une forme non plus rectangulaire mais de type hermite. En plus des gra-dients de sélection, de courts gragra-dients de rephasage ou «spoilers» sont intégrés dans la séquence pour compenser les déphasages introduits par G₁,G₂ et G₃.

Enfin, une étape dite de préparation intervient avant l’excitation. Elle permet de réaliser deux tâches distinctes :

Fig.1.11:Chronogramme de la séquence de SRM mono-voxel PRESS telle qu’implémentée sur la consoleParavision. Après l’étape de préparation, trois impulsions (90^◦- 180^◦- 180^◦) de forme hermite réalisent successivement trois sélections spatiales à l’aide des gradients G1, G2 et G3. L’écho de spin est acquis pourt=T E.

– la suppression du signal RMN correspondant la molécule d’eau avec les tech-niques VAPOR⁷ [Tkác et al., 1999] ou CHESS⁸ [Frahmet al., 1989]. En pra-tique, ces techniques permettent une très forte atténuation du pic d’eau sur le spectre RMN acquis.

– l’atténuation des signaux provenant de l’extérieur du volume d’intérêt afin d’accroître la sélectivité spatiale. Pour cela, la technique des bandes de satu-ration est employée sous le nom OVS⁹. Cette technique consiste à appliquer plusieurs bandes de saturation autour du volume d’intérêt. Lors de l’excita-tion, les aimantations présentes dans les zones autour du voxel ne généreront aucune cohérence et donc aucun signal. Cette technique, très employée lors des expériences de spectroscopie RMN in vivo, permet une meilleure localisation en éliminant les signaux provenant de l’extérieur du volume d’intérêt.

1.3.2.3 La séquence STEAM

La séquence STEAM [Frahm et al., 1987] est basée sur le principe de l’écho stimulé. En pratique, l’émission successive de plusieurs impulsions 90^◦ induit la for-mation d’échos stimulés. La séquence STEAM exploite ce phénomène et se compose ainsi d’une succession de trois impulsions RF (90^◦ - 90^◦ - 90^◦) responsables de la formation de l’écho stimulé qui sera acquis.

7Variable Power RF pulses with Optimized Relaxation delays

8Chemical Shift Selective Suppression

9Outer Volume Suppression

Cette séquence rend possible l’acquisition de signaux FID pour de faibles valeurs de T E. En général, les temps de montée et descente en intensité des gradients et la sensibilité des antennes constituent la limitation majeure pour la réduction des du-rées d’excitation dans les séquences IRM. Les récents progrès dans ces domaines ont permis d’atteindre desT E extrêmement courts de l’ordre de 1 ms [Tkácet al., 1999]

permettant ainsi la détection de métabolites à T₂ courts. Néanmoins, comparé à la séquence PRESS, l’intensité des signaux acquis n’est pas optimale car seule la moi-tié de l’aimantation se manifeste lors d’échos stimulés, réduisant considérablement le rapport signal sur bruit (RSB).