Compléments de RMN Formation de l’image Séquences d’acquisition

(1)

Compléments de RMN

Formation de l’image Séquences d’acquisition

Fayçal Ben Bouallègue UM – CHU Montpellier

faycal.ben-bouallegue@umontpellier.fr

http://scinti.edu.umontpellier.fr/enseignements/cours/

Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019 1

Rappels PACES

𝑥

𝑦 𝑧

𝜇_L

𝜇_T

LG Hanson. Bloch Simulator.

(www.drcmr.dk/bloch)

Moment magnétique du proton :

Précession de Larmor : 𝛚 = 𝛾 𝐁

𝐁

𝛍 = 𝛾 𝐉

𝛾 = 42,6 MHz T

⁻¹

𝛍

(2)

Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019

𝐁

𝐁 = 0 𝐁 > 0

- +

𝐸₊= 𝐸₋= 𝐸

Δ𝐸 = 𝐸

−

− 𝐸

+

= 𝛾 ℏ𝐵

𝐸₊= 𝐸 −1

2𝛾ℏ𝐵

𝐸₋= 𝐸 +1 2𝛾ℏ𝐵 𝛾^ℏ

2

−𝛾^ℏ 2

𝜇

_𝑧

Levée de dégénérescence énergétique (effet Zeeman)

3

Rappels PACES

𝐁

p⁺ 𝐌

𝐌

p⁺ 𝛍

𝛍

RF

𝐌

p⁺

𝛍

RF

émetteur récepteur

1. Préparation (aimantation)

2. Perturbation (résonance)

3. Mesure (relaxation) 𝐁 𝐁

Séquence de RMN

(3)

Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019 1. Préparation (aimantation)

𝐌

Précession de Larmor : Alignement sur le champ

 Aimantation longitudinale M_z

 Cinétique exponentielle T₁

 Echanges énergétiques :

𝑀𝑧

𝑡

𝐸 = − 𝛍 ⋅ 𝐁

Δ𝐸 = 𝛾ℏ𝐵 𝐁 ^𝛍

𝛍

𝐁

_𝟎

𝜔

₀

= 𝛾𝐵

₀

𝑀_𝑧(𝑡) = 𝑀_L 1 − 𝑒^−𝑡/𝑇¹

⨁

⊝

℘ ⨁ > ℘ ⊝

5

Rappels PACES

2. Perturbation (résonance)

𝐌

𝐁

_𝟎

𝐁

_𝟏

𝐁

_𝟏

Application d’un champ tournant B

₁

 de fréquence 𝜔

₀

/2𝜋

 pendant une durée 𝜏

(~ms)

Précession de M autour de B

₁



 Bascule

(nutation)

d’un angle  = 𝜏 𝜔

₁

Disparition de M

_z

Apparition de M

_xy(aimantation transverse)

𝜔

₁

= 𝛾𝐵

₁

𝐌_𝐳

𝐌𝐱𝐲

x z y

RF

𝝉

(4)

3. Mesure (relaxation)

𝐌

𝐁

_𝟎

x y

RF

𝑀𝑇

𝑡

𝑀_𝑥𝑦(𝑡) = 𝑀_T𝑒^−𝑡/𝑇²

Arrêt de la stimulation RF B

₁

Signal = M

_x

 Déphasage progressif

 Inhomogénéités de champ

 Phénomène entropique

 Cinétique T

₂

Rappels PACES

𝐌

𝐁

_𝟎

x y

RF Arrêt de la stimulation RF B

₁

Signal = M

_x

Disparition de M

_xy

Repousse de M

_z

Dans les tissus biologiques : T₁10 T₂

y z

x y 3. Mesure (relaxation)

(5)

Préparation

t

𝑀_𝑧(𝑡_𝑟) = 𝑀_L1 − 𝑒^−𝑡^𝑟^/𝑇¹

𝑀

_𝑧

Aimantation longitudinale dans B

0

Relaxation T

1

Durant un temps t

_r (temps de répétition)

𝑡

𝑟

Rappels PACES

Préparation

t

𝑀_𝑧(𝑡_𝑟) = 𝑀_L1 − 𝑒^−𝑡^𝑟^/𝑇¹

𝑀

_𝑧

Stimulation RF durant un temps  Bascule de l’aimantation d’un angle  Apparition d’une aimantation transverse

𝑡

_𝑟

RF

𝑀

_𝑥𝑦

𝝉

𝑀_𝑥𝑦0 = 𝑀_𝑧𝑡_𝑟 sin(𝜂)

xy xy

z z

 𝑀_𝑧

𝑀_𝑥𝑦



(6)

Préparation

t

𝑀_𝑧(𝑡_𝑟) = 𝑀_L1 − 𝑒^−𝑡^𝑟^/𝑇¹

𝑀

_𝑧

Retour à l’équilibre Relaxation T

2

𝑡

𝑟

RF

𝑀

𝑥𝑦

Mesure

𝑀_T= 𝑀_𝑥𝑦 0 = 𝑀_𝑧𝑡_𝑟 sin(𝜂)

x y

𝑀_𝑥𝑦 𝑀_𝑥 𝑡 = 𝑀_𝑇𝑒^−𝑡/𝑇²sin(𝜔₀𝑡)

𝑀_𝑥𝑦(𝑡) = 𝑀_T𝑒^−𝑡/𝑇²

FID

Rappels PACES

Préparation

t

𝑀_𝑧(𝑡_𝑟) = 𝑀_L1 − 𝑒^−𝑡^𝑟^/𝑇¹

𝑀

_𝑧

Retour à l’équilibre Relaxation T

₂

Recueil du signal (FID) au temps t

e(temps d’écho)

𝑡

_𝑟

RF

𝑀

_𝑥𝑦

Mesure

𝑀_𝑥𝑦(𝑡_𝑒) = 𝑀_T𝑒^−𝑡^𝑒^/𝑇² 𝑀_T=

𝑀_𝑥𝑦 0 = 𝑀_𝑧𝑡_𝑟 sin(𝜂)

𝑡

_𝑒

𝐹𝐼𝐷 𝑡 =

𝑀

_L

1 − 𝑒

^−𝑡^𝑟^/𝑇¹

sin(𝜂) 𝑒

^−𝑡^𝑒^/𝑇²

sin 𝜔

₀

𝑡

(7)

Pondération 𝑻

_𝟏

𝑡

𝑟

~ 𝑇

1

𝑡

_𝑒

≪ 𝑇

₂

𝑡

𝑟

~𝑇

1

𝑀

_L

𝑀

𝑥𝑦

𝑇

₂

𝑡

_𝑒

𝐹𝐼𝐷 𝑡 = 𝑀

_L

1 − 𝑒

^−𝑡^𝑟^/𝑇¹

sin(𝜂) 𝑒

^−𝑡^𝑒^/𝑇²

sin 𝜔

₀

𝑡

𝑇

1

𝑇

1

Signal ∝ 𝑀

L

1 − 𝑒

^−𝑡^𝑟^/𝑇¹

Hyper-𝑇

₁

= 𝑇

1

court

Rappels PACES

𝑇 𝑀

_L

𝐹𝐼𝐷 𝑡 = 𝑀

_L

1 − 𝑒

^−𝑡^𝑟^/𝑇¹

sin(𝜂) 𝑒

^−𝑡^𝑒^/𝑇²

sin 𝜔

₀

𝑡

𝑀

𝑥𝑦

𝑡 ~𝑇 Pondération 𝑻

𝟐

𝑡

𝑟

≫ 𝑇

1

𝑡

_𝑒

~ 𝑇

₂

𝑇 𝑇 𝑇 𝑇

Signal ∝ 𝑀

_L

𝑒

^−𝑡^𝑒^/𝑇²

Hyper-𝑇

₂

= 𝑇

2

long

t

(8)

Transformée de Fourier (TF)

Domaine temporel : TF 𝒇 𝒕 = 𝑨

𝒊

𝒔𝒊𝒏(𝝎

𝒊

𝒕)

Domaine fréquentiel : 𝑭(𝝎)

𝝎

_𝟏

𝝎

𝟐

𝒕

𝝎 𝑨

𝟏

𝑨

_𝟐

15

Rappels PACES

Transformée de Fourier (TF)

𝑡 𝜔

TF

(9)

Transformée de Fourier (TF)

𝑡 𝜔

TF

17

Rappels PACES

Transformée de Fourier (TF)

TF 2D

𝑥 𝑦

𝜔_𝑥 𝜔_𝑦

𝑥 𝑦

𝜔_𝑥 𝜔_𝑦

(10)

Transformée de Fourier (TF)

TF 2D

𝑥 𝑦

𝜔_𝑥 𝜔_𝑦

𝑥 𝑦

𝜔𝑥

𝜔_𝑦

𝜔𝑥

𝜔𝑦

19

Rappels PACES

Transformée de Fourier (TF)

TF 2D

𝑥 𝑦

𝜔_𝑥 𝜔_𝑦

𝑥 𝑦

𝜔_𝑥 𝜔_𝑦

𝜔𝑥

𝜔_𝑦

(11)

Transformée de Fourier (TF)

TF 2D

𝑥 𝑦

𝜔_𝑥 𝜔_𝑦

21

Formation de l’image

𝐁

𝟎

𝐌

(12)

𝐌

RF 𝜔

₀

𝐁

_𝟎

FID  M sin 𝜔

₀

𝑡

Formation de l’image

𝐌

RF 𝜔

₀

𝐁

𝟎

FID  M sin 𝜔

₀

𝑡

Spectre (FID)

𝜔 𝜔

₀

TF

M

(13)

x

y z

VOXELS ~ 1 mm 𝐦

𝜌(p

⁺

)

25

Formation de l’image

x

y z

𝐁 variable

(gradient d’encodage)

𝐁 = 𝐁

_𝟎

+ 𝐆

_𝐄

(𝒛 − 𝒛

_𝟎

) 𝐆

_𝐄

= 𝐝𝐁

𝐝𝒛

𝐁

(14)

x

y z

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

𝐦

z

₀

𝐁

𝐁 variable

(gradient d’encodage)

𝐁 = 𝐁

𝟎

+ 𝐆

𝐄

(𝒛 − 𝒛

𝟎

) 𝐆

_𝐄

= 𝐝𝐁

𝐝𝒛

27

Formation de l’image

x

y z

RF 𝜔

₀

𝐦

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

𝚫𝐞

z

₀

FID  m

0

sin 𝜔

0

𝑡

𝐁

(15)

x

y z

RF 𝜔

₀

𝐦

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

𝚫𝐞

z

₀

FID  m

₀

sin 𝜔

₀

𝑡

Spectre (FID)

𝜔

₀

𝜔

TF

m₀

𝐁

29

Formation de l’image

x

y z

𝐁 variable

(gradient d’encodage)

𝐁 = 𝐁

_𝟎

+ 𝐆

_𝐄

(𝒚 − 𝒚

_𝟎

) 𝐆

_𝐄

= 𝐝𝐁

𝐝𝒚

𝐁

(16)

x

y z

RF 𝜔

₀

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

y

₀

FID  m

₀

sin 𝜔

₀

𝑡

Spectre (FID)

𝜔

₀

𝜔

TF

m₀

𝐁

31

Formation de l’image

x

y z

RF 𝜔

₀

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

y

₀

Impulsion radiofréquence

Largeur de bande Durée

(17)

x z

RF 𝜔

₀

Impulsion radiofréquence

𝚫𝝎 =𝟐𝝅 𝝉 𝝎_𝟎 𝝎

𝒚 𝐁

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

y

₀

𝚫𝐞

𝐁_𝟎 Largeur de bande

𝒚_𝟎 𝝉

𝒕 Durée

y

33

Formation de l’image

x z

RF 𝜔

₀

Impulsion radiofréquence

𝒚 𝐁

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

y

₀

𝚫𝐞

𝚫𝐁 =𝚫𝝎 𝜸

Largeur de bande

𝒚_𝟎 𝝉

𝒕

Durée

y

(18)

x z

RF 𝜔

₀

Impulsion radiofréquence

𝒚_𝟎 𝒚 𝐁

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

y

₀

𝚫𝐞

𝚫𝐁 =𝚫𝝎 𝜸

Largeur de bande

Epaisseur de coupe

𝚫𝐞 = 𝚫𝐁 𝐆

_𝐄

= 𝟐𝝅

𝝉 𝜸 𝐆

_𝐄 𝝉

𝒕 Durée

y

35

Formation de l’image

x

y z

RF 𝜔

₀

𝐦

𝐁

_𝟎

𝐁 > 𝐁

_𝟎

𝐁 < 𝐁

_𝟎

𝚫𝐞

z

₀

FID  m

0

sin 𝜔

0

𝑡

Spectre (FID)

𝜔 𝜔

₀

TF

m₀

𝐁

(19)

x y

RF 𝜔

₀

z

₀

𝐁

_𝟎

FID  m

₀

sin 𝜔

₀

𝑡

Spectre (FID)

𝜔

₀

𝜔

TF

m₀

𝐦

_𝟎

37

Formation de l’image

x y

RF 𝜔

₀

z

₀

𝐁

_𝟎

m

(20)

x y

z

₀

𝐁 variable

(gradient de lecture)

𝐁 = 𝐁

_𝟎

+ 𝐆

_𝐋

(𝒚 − 𝒚

_𝟎

) 𝐆

_𝐋

= 𝐝𝐁

𝐝𝒚

39

Formation de l’image

x y

z

₀

m

₁

m

₂

m

₃

m

₄

m

₅

m

₆

m

₇

m

₈

𝝎

_𝟏

𝝎

_𝟖

(21)

x y

z

₀

m

₁

m

₂

m

₃

m

₄

m

₅

m

₆

m

₇

m

₈

𝜔

₁

FID  m

i

sin 𝜔

𝑖

𝑡

TF

m

1

m

8

𝜔

₈

m

2

m

₃

m

4

m

5

m

6

m

₇

𝝎

_𝟏

𝝎

_𝟖

41

Formation de l’image

x y

z

₀

7

4 m

(22)

y

z

₀

𝐁 variable

(gradient de lecture)

𝐁 = 𝐁

_𝟎

+ 𝐆

_𝐋

(𝒔 − 𝒔

_𝟎

) 𝐆

_𝐋

= 𝐝𝐁

𝐝𝒔 s

m

_s,i

x

43

Formation de l’image

x y

z

₀

Direction  = 0 … 

s

m

_s,i

Reconstruction tomographique

= 0

= /2 = /4 = 3/4

(23)

x y

z

₀

s

m

_s,i

Reconstruction tomographique Direction  = 0 … 

45

Formation de l’image

x y

𝒕

TF

𝝎

𝒚

=

(24)

x y

z

₀

𝒕

TF

𝝎

𝒚

=

TF

𝝀

𝒙

=

𝒔

47

Formation de l’image

x y

𝒕 𝒕

𝒔

TF 2D

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

𝒔

(25)

x y

z

₀

TF 2D

𝒕

𝒔 𝒔 = 𝟎

49

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

Formation de l’image

x y

TF 2D

𝒔 = 𝟎 𝒕

𝒔 𝒔 = 𝟏

𝐆

_𝐏𝟏

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

(26)

x y

z

₀

TF 2D

𝒔 = 𝟎 𝒕

𝒔 𝒔 = 𝟐

𝒔 = 𝟏

𝐆

_𝐏𝟐

51

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

Formation de l’image

x y

TF 2D

𝒔 = 𝟎 𝒕

𝒔 𝒔 = 𝟐

𝒔 = 𝟑 𝒔 = 𝟏

𝐆

_𝐏𝟑

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

(27)

x y

z

₀

TF 2D

𝒔 = 𝟎 𝒕

𝒔 𝒔 = 𝟐

𝒔 = 𝟑 𝒔 = 𝟏

53

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

Formation de l’image

x y

𝒕 𝒔

𝒕

𝒔

(28)

x y

z

₀

TF 2D

𝒕

𝒔

55

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

Formation de l’image

x y

TF 2D

𝒕

𝒔 𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

(29)

x y

z

₀

TF 2D

𝒕

𝒔

57

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

Formation de l’image

x y

TF 2D

𝒕

𝒔 𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

(30)

Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019 TF 2D

𝒕

𝒔

59

𝝎

_𝒕

~ 𝒚

𝝎

_𝒔

~ 𝒙

Relaxation T

2

𝐓_𝟐^∗: environnement moléculaire &inhomogénéités de champ : 𝚫𝐁_𝒎𝒐𝒍+ 𝚫𝐁_{𝒕𝒆𝒄𝒉} 𝐓_𝟐: environnement moléculaire : 𝚫𝐁_𝒎𝒐𝒍

Séquences d’acquisition

𝑥 𝑦 𝑧

𝐁

_𝟎 ^𝚫𝐁=0 ^𝚫𝐁^{𝒕𝒆𝒄𝒉} ^𝚫𝐁^𝒎𝒐𝒍

(31)

Echo de gradient

𝐓_𝟐^∗: environnement moléculaire &inhomogénéités de champ 𝐓_𝟐: environnement moléculaire

Susceptibilité magnétique :

 Calcium (  < 0)

 Produits de dégradation de l'hémoglobine (  > 0)

61

Echo de gradient

DWI T

₂

T

₂

*

Lin et al. Am J Neuroradiol 2001

Séquences d’acquisition

(32)

Echo de gradient

Werring et al. Brain2004

63

Echo de spin

𝐓_𝟐 𝐓_𝟐^∗

Séquences d’acquisition

(33)

Echo de spin

Bakshi et al. Arch Neurol 2001

T

1

T

2

T

2

65

Inversion - récupération

Séquences d’acquisition

(34)

Inversion - récupération FLAIR :

FLuid Attenuated Inversion Recovery

LCR MG M_L MB

180° 90°

echo

180°

M_L M_xy

67

Inversion - récupération FLAIR :

Séquences d’acquisition

T

1

T

2

T

2

FLAIR

(35)

Inversion - récupération FLAIR :

69

Inversion - récupération FLAIR :

Objectifs primaires

 Confirmer l'AVC ischémique

 Exclure l'hémorragie

 Exclure les diag. diff.

Objectifs secondaires

 Dater l'AVC

 Localiser l'occlusion

 Evaluer la pénombre (pron.)

Séquences d’acquisition

(36)

Inversion - récupération FLAIR :

Tisserand et al. Diag Interv Imaging 2014

71

Inversion - récupération FLAIR :

Hygino da Cruz et al. Am J Neuroradiol 2011

Séquences d’acquisition

(37)

Inversion - récupération FLAIR :

73

Inversion - récupération FLAIR :

Séquences d’acquisition

(38)

Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019 LCR

GR MB M_L

180° 90°

echo

180°

M_L M_xy

Inversion - récupération STIR :

Short Ti Inversion Recovery

75

Inversion - récupération STIR :

Alcaide-Leon et al. Am J Neuroradiol 2016

Séquences d’acquisition

T

₂

STIR

(39)

Inversion - récupération STIR :

Salinas et al. ECR 2017 77

Salinas et al. ECR 2017

Inversion - récupération STIR :

Séquences d’acquisition

(40)

Inversion - récupération STIR :

Ben Bouallègue et al. Clin Nucl Med 2018

T

₁

Gd T

₂

STIR

79

Techniques de saturation FAT-SAT

Séquences d’acquisition

(41)

Techniques de saturation FAT-SAT

Tekath et al. Diag Interv Imaging 2015

T

2

T

2

Fat Sat T

1

Gd artériel T

1

Gd portal

81

Techniques de saturation FAT-SAT

Daly et al. AJR 2008

Séquences d’acquisition

T₁FAT SAT Gd T₁FAT SAT T₁

(42)

Techniques de saturation FAT-SAT

83

Angiographie IRM Contraste

Séquences d’acquisition

(43)

Angiographie IRM Contraste

Currie et al. Postgrad Med J 2013

85

Angiographie IRM Contraste

Séquences d’acquisition

(44)

Angiographie IRM Contraste

87

Angiographie IRM TOF (temps de vol)

Séquences d’acquisition

(45)

IRM de perfusion Contraste

DSC

(dynamic susceptibility contrast, T₂)

89

IRM de perfusion Contraste

DSC

(dynamic susceptibility contrast, T2)

Séquences d’acquisition

(46)

IRM de perfusion Contraste

DSC

(dynamic susceptibility contrast, T₂)

Udare et al. ECR 2014

91

IRM de perfusion Contraste DCE

(dynamic contrast enhanced , T1)

Roberts et al. AJNR 2000

Séquences d’acquisition

(47)

IRM de perfusion ASL (arterial spin labeling)

93

IRM de perfusion Applications

Petrella et al. AJR 2000

Séquences d’acquisition

(48)

IRM de perfusion Applications

Ye et al. Exp Ther Med 2016 95

IRM de perfusion Applications

Séquences d’acquisition

(49)

IRM de perfusion Applications

Petrella et al. AJR 2000

97

Séquences d’acquisition

IRM de diffusion : DWI

𝑧 𝑧

(50)

IRM de diffusion : DWI

99

Séquences d’acquisition

IRM de diffusion : DWI

(51)

Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019 Le Bihan et al. Plos One 2015

IRM de diffusion : DWI

101

IRM de diffusion : DWI

𝑏 = 𝐺²𝛾²𝛿² 𝐷 − 𝛿 3

Séquences d’acquisition

(52)

IRM de diffusion : DWI

b

0

(T

2

) b

1000

𝑆 𝑏 = 𝑆

₀

exp −𝑏. 𝐴𝐷𝐶

103

IRM de diffusion DTI

(tractographie)

Séquences d’acquisition

(53)

IRM de diffusion DTI

(tractographie)

105

IRM de diffusion DTI

(tractographie)

Séquences d’acquisition

(54)

IRM de diffusion DTI

(tractographie)

D / G Ant / post

Cr / caud

𝛆

_𝟏

107

IRM de diffusion DTI

(tractographie)

Séquences d’acquisition

Guillevin et al. Neurologie.com 2010

Astrocytome

kystique Métastases Astrocytome infiltrant

(55)

IRM de diffusion DTI

(tractographie)

Mukherjee et al. AJNR 2008

Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019 109 Adapted from Catani et al. Cortex 2008

IRM de diffusion DTI

(tractographie)

Séquences d’acquisition

Soni et al. Cureus 2017

(56)

IRM de diffusion DTI

(tractographie)

Takahashi et al. Cereb Cortex 2012 Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019 111

Cas clinique

Séquences d’acquisition

(57)

Cas clinique

Tisserand et al. Diag

Interv Imaging 2014 Compléments de RMN DFGSM2 2018-2019

113