Physique de l’IRM - Génération et acquisition du signal de RMN - Formation en ligne

À l'issue de ce cours, vous serez en mesure : • de décrire le rôle du champ magnétique externe en IRM • d’expliquer pourquoi le corps humain est sensible aux champs magnétiques • de donner la définition du spin et de la précession • de discuter des principes physiques qui régissent l’aimantation • d’expliquer comment les signaux de RMN sont produits Félicitations ! Vous avez terminé la formation en ligne « Physique de l’IRM : génération et acquisition du signal de RMN ». Vous trouverez ci-dessous les principaux thèmes qui ont été abordés en relation avec les principes physiques de l’imagerie par résonance magnétique. Prenez le temps de relire cette page avant de démarrer le quiz final. Décrire le rôle du champ magnétique externe en RMN Les champs magnétiques exercent une force sur les particules magnétisables (comme les atomes d’hydrogène). Le champ magnétique des appareils d’IRM est plus fort que celui de la Terre.   Expliquer pourquoi le corps humain est sensible aux champs magnétiques Le corps humain se compose à 70 % d’eau et contient donc un grand nombre de protons d’hydrogène. Le noyau de l’atome d’hydrogène est le plus sensible aux effets magnétiques dans l’organisme, mais également celui qui émet le signal de résonance magnétique le plus fort Les protons interagissent avec un champ magnétique appliqué de l’extérieur et s’alignent parallèlement à celui-ci.   Donner la définition du spin et de la précession Toutes les particules fondamentales ont un spin individuel. Le spin nucléaire reste constant et ne s'arrête jamais ; il ne varie que par l'orientation de son axe. Le spin du proton d’hydrogène se déplace en décrivant un cône autour de l’axe de gravité. La fréquence de Larmor indique à quelle fréquence cette précession a lieu autour du champ magnétique externe. La fréquence de précession des spins est proportionnelle à l’intensité du champ (rapport gyromagnétique). Discuter des principes physiques qui régissent l’aimantation Le moment magnétique est une grandeur du proton qui détermine la norme et la direction de la force que cet aimant élémentaire peut exercer.   Expliquer comment les signaux de RMN sont produits La résonance magnétique est nécessaire pour produire les signaux de RMN. La résonance se produit quand la fréquence de l’impulsion RF et la fréquence de Larmor sont égales. L’impulsion RF appliquée produit une aimantation transversale mesurable. Les signaux de RMN sont captés par les antennes (ou bobines) réceptrices. Cliquez sur ce lien pour télécharger le Glossaire des termes de l’IRM. L’IRM utilise des champs magnétiques et des ondes radiofréquence Les scanners à rayons X et TDM utilisent des rayonnements ionisants Le corps humain est sensible à l’action du champ magnétique produit par l’appareil d’IRM. Le corps humain se compose d’environ 70 % d’eau Molécule d’eau : 1 atome d’oxygène et 2 atomes d’hydrogène Hydrogène : 1 proton et 1 électron Le noyau de l’atome d’hydrogène est le plus sensible aux effets magnétiques dans l’organisme, mais également celui qui émet le signal de résonance magnétique le plus fort L’IRM exploite les propriétés magnétiques des protons de l’hydrogène.         Les atomes d'hydrogène En savoir plus sur les propriétés des atomes. Tab TitleTextLes atomes Un atome est composé de protons et de neutrons formant un noyau et d’électrons dans des couches extérieures. Les électrons, porteurs d’une charge négative, tournent autour du noyau sur des orbites spécifiques. Comme les protons portent une charge positive et les neutrons aucune charge, le noyau de l’atome a une charge positive.   Numéro atomique Numéro atomique Nombre de protons dans le noyau Principal descripteur des atomes Tous les atomes d’un élément ont le même numéro atomique   Exemples : Hydrogène 1 proton Carbone 6 protons Oxygène 8 protons Nombre de masse Nombre de masse : nombre de protons plus nombre de neutrons dans le noyau. Les isotopes ont le même numéro atomique mais un nombre de masse différent.   Exemples : Protium 1 proton, 0 neutrons 99,9 % Deutérium 1 proton, 1 neutron 0,1 % Titrium 1 proton, 2 neutrons Encore moins Spin nucléaire Spin nucléaire : indispensable pour la RMN, dépendant de l’isotope. Les noyaux ayant un nombre pair de protons et de neutrons sont magnétiquement neutres et ne produisent pas de signal de RMN. En revanche, les noyaux ayant un nombre impair de neutrons ont un spin nucléaire.   3 classes de spin Nul numéro atomique pair nombre de masse pair 12C, 16O Entier nombre de masse pair numéro atomique impair 2H Semi-entier nombre de masse impair 1H Le proton de l’atome d’hydrogène, ou noyau, a un volume et une masse définis et une charge positive. Le spin nucléaire est une mesure de l’état quantique d’une particule atomique. Toutes les particules fondamentales ont un spin individuel. Le spin est le nombre quantique de la particule. Le spin du noyau : reste toujours égal et ne s’arrête jamais ne varie que par les changements de direction de l’axe L’effet collectif des spins des particules dans le noyau est décrit par un vecteur spatial appelé moment angulaire.        Exposé à un champ magnétique intense, le proton d’hydrogène se comporte plus comme une toupie que comme l’aiguille d’une boussole. Son spin se déplace en décrivant un cône autour de l’axe de gravité. On appelle précession le mouvement tournoyant d’une toupie. L’axe du spin se déplace en décrivant un cône autour de l’axe de gravité. La précession est fondamentale dans la résonance magnétique nucléaire.        Un proton effectue une précession comme une toupie selon une fréquence angulaire (ω). La fréquence de Larmor indique à quelle fréquence cette précession a lieu autour du champ magnétique externe : Dépend du type de noyau et de l’intensité du champ magnétique externe appliqué Se mesure en mégahertz (MHz) La fréquence de Larmor augmente en proportion du champ magnétique externe appliqué B0. L’appareil d’IRM doit être réglé à la fréquence de Larmor des spins     La fréquence de Larmor En savoir plus sur l'équation de Larmor. Element HTMLFréquence de Larmor : fréquence de précession des spins  ω = γ • B0ω = fréquence des spinsB0 = champ magnétique externeγ = rapport gyromagnétique Sound File Audio ScriptLa fréquence de précession des spins est appelée fréquence de Larmor. Cette fréquence dépend du type de noyau et de l’intensité du champ magnétique. L’équation de Larmor est représentée par oméga (ω) égal à gamma (γ) fois B0.   Oméga représente la fréquence de précession des spins autour d’un champ magnétique. B0 est le champ magnétique externe. La constante de proportionnalité gamma est appelée rapport gyromagnétique. Les spins répondent au champ magnétique par un mouvement de précession autour de celui-ci. La fréquence de la précession nucléaire ou vitesse de rotation est proportionnelle à l’intensité du champ magnétique. Plus celui-ci est intense, plus la fréquence de précession du moment magnétique est élevée. Le rapport gyromagnétique dépend du type de noyau et définit la relation entre le spin et le moment magnétique du noyau. Il est constant pour un noyau et exprimé comme la fréquence de précession de celui-ci à 1 tesla. L’unité de mesure de gamma est le MHz/T (prononcer « mégahertz par tesla »). La précession du spin définie par l’équation de Larmor est le mouvement quintessentiel en IRM et l’un des éléments fondamentaux de l’imagerie par résonance magnétique. Le moment magnétique est une grandeur du proton qui détermine la magnitude et la direction de la force que cet aimant élémentaire peut exercer. Les moments magnétiques sont responsables du magnétisme faible créé dans le corps humain par l’IRM.     Vecteurs En savoir plus sur le vecteur. Les vecteurs sont un excellent moyen de définir des grandeurs qui dépendent de l’orientation dans l’espace parce qu’ils ont une norme et une direction. La direction de la flèche correspond à celle du vecteur. La longueur correspond à la norme du vecteur. Les quantités vectorielles permettent une addition spatiale, mais leur direction doit être prise en compte. Si la flèche pointe dans la même direction, la norme d’un vecteur est simplement la somme des normes (a + a = 2a) Les vecteurs de même norme mais de direction opposée s’annulent (a - a = 0). Les vecteurs peuvent aussi être divisés en composantes séparées, qui sont illustrées par la projection de la flèche sur des axes prédéfinis de l’espace, habituellement un système de coordonnées. L’exemple de droite montre que le vecteur c est la somme des vecteurs a+b Composante verticale a Composante horizontale b Spin et moment magnétique En savoir plus sur la formule du moment magnétique. Base ImageHotspotsText BlocksImage FileMoment magnétiqueMoment angulaireConstante de PlanckNombre quantique du spin décrivant le moment angulaireRapport gyromagnétique En IRM, on mesure l’effet net d’un ensemble de spins dans un voxel, plutôt que les effets des spins individuels. Deux particules identiques ne peuvent pas être dans le même état ; leurs spins s’orientent donc de façon antiparallèle l’un par rapport à l’autre, ce qui donne un spin net de zéro. Seuls les noyaux possédant un nombre impair de protons ou de neutrons ont un spin net, appelé spin nucléaire.     Voxel En savoir plus sur le voxel. Au lieu de mesurer l’effet des spins individuels dans le corps, on s’intéresse à la somme nette des spins de tous les protons contenus dans l’élément de volume observé, ou voxel. Un voxel peut être figuré par un cube ayant une longueur d’arête spécifique (par ex. 10 mm) et contenant un volume spécifique (par ex. 1 ml). Pour produire le signal de RMN, il faut influencer l’aimantation de façon à obtenir une composante non nulle de précession dans le plan x-y. Appliquer de l’énergie pour créer une aimantation transversale dans le plan x-y du champ magnétique On peut faire basculer l’aimantation en appliquant une brève impulsion électromagnétique, l’impulsion RF. Les impulsions RF perturbent l’équilibre des spins et excitent les protons en appliquant des champs magnétiques alternatifs dans la plage des fréquences radio. La fréquence de l’impulsion RF et la fréquence de Larmor des spins doivent être en résonance l’une avec l’autre pour produire un signal de RMN.       L’impulsion RF est formée par des antennes : Antenne émettrice : pour l’émission des impulsions RF Antenne réceptrice : pour la réception du signal de RMN Il existe 2 grands types d’impulsions RF. L’angle de l’impulsion est appelé angle de bascule. Impulsion à 90° : fait basculer l’aimantation dans le plan transversal (plan x-y) Impulsion à 180° : fait basculer l’aimantation dans la direction longitudinale (direction z)       La mesure de la RMN comprend deux parties : Excitation : « émission » de l’énergie Relaxation : « restitution » de l’énergie Comment acquiert-on le signal de RMN ? Seule l’aimantation transversale (Mxy) est captée par les antennes L'impulsion RF à 90° transforme l’aimantation longitudinale (Mz) en aimantation transversale (Mxy). Plus l’aimantation transversale est élevée, plus le signal de RMN est intense Le signal d’induction libre (FID : free induction decay) décrit la manière dont l’aimantation transversale diminue rapidement au cours du temps     L’appareil d’IRM comprend 4 grands composants indispensables pour la création des images. Ces composants sont les suivants : un aimant (ou des bobines d’électroaimant) un système radiofréquence (RF) un système de gradient un système informatique puissant Ce système informatique comprend : un proceseur d'images un ordinateur hôte des logiciels de contrôle et d'évaluation        Le magnétisme est une propriété fondamentale de la nature. Un aimant crée autour de lui un champ magnétique. Les courants électriques et les électroaimants peuvent aussi créer des champs magnétiques. Un champ magnétique peut être représenté par des lignes de champ et un vecteur B0. Ce dernier indique un champ magnétique intense, appliqué de l’extérieur par le système d’IRM. L’intensité de B0 est mesurée en teslas L’orientation de B0 est parallèle à l’axe Z Le plan X-Y est orienté transversalement par rapport aux lignes du champ magnétique        L’intensité magnétique en IRM En savoir plus sur les caractéristiques des champs magnétiques en IRM. Le champ magnétique utilisé en IRM se mesure en teslas. La plupart des systèmes d’IRM cliniques fonctionnent à 1,5 et 3 teslas. Ils produisent un champ magnétique extrêmement fort, jusqu’à 50 000 fois plus intense que celui de la Terre (qui varie de 0,00003 T à 0,00007 T). Un champ magnétique d’intensité uniforme est appelé champ homogène. Les lignes d’un champ homogène sont figurées par des traits droits, parallèles et équidistants. Un champ magnétique qui ne varie pas dans le temps est appelé champ statique. En l’absence de champ magnétique, les spins nucléaires des protons sont orientés au hasard dans l’espace. Les protons existent naturellement dans un équilibre énergétique aléatoire Les précessions sont déphasées et incohérentes Les directions des moments magnétiques sont distribuées au hasard Quand la valeur des spins alignés est égale à zéro, il n’y a pas d’aimantation.     Tous les spins effectuent une précession à la même fréquence autour de l’axe du champ magnétique mais ils n’ont pas la même orientation de phase. L’aimantation constante (M) est produite par les spins surnuméraires parallèles à la direction +z Perpendiculaire à la direction z Les spins s’annulent parce que leur orientation est aléatoire L’aimantation qui en résulte dans le plan x-y, ou aimantation transversale, est nulle. Comment génère-t-on un signal observable ?     Lorsque le corps humain est exposé à un champ magnétique externe intense (B0), ses protons s’alignent dans la direction de celui-ci. L’état d’énergie privilégié des noyaux est parallèle au champ magnétique. Les protons effectuent une précession à leur fréquence (de Larmor) caractéristique en fonction de B0. Les protons qui s’alignent dans la direction +z et ceux qui s’alignent dans la direction -z s’annulent. Les spins de basse énergie sont dits « parallèles » ou « spin up » Les spins de haute énergie sont dits « antiparallèles » ou « spin down » Il y a un peu plus de protons qui s’alignent dans la direction +z, ce qui crée un excédent de spins parallèles. Le résultat est une aimantation nette dans la direction z (Mz).     Aimantation nette et distribution de Boltzmann En savoir plus sur l'aimantation nette et la distribution de Boltzmann. Slide NumberText BlocksCalloutsAudio ScriptImage File1Le nombre de spins magnétiques qui s’alignent dans la direction parallèle ou antiparallèle dépend de l’ampleur de la différence d’énergie ΔE.  Le nombre de spins magnétiques qui s’alignent dans la direction parallèle ou antiparallèle dans un champ magnétique appliqué dépend de l’ampleur de la différence d’énergie, delta E.2ΔE = 0 quand les protons sont orientés au hasard dans un environnement non magnétisé. Le niveau d’énergie E augmente en proportion de l’intensité du champ magnétique B0.Quand delta E est égale à zéro, les protons sont orientés aléatoirement dans un environnement non magnétisé. Le Le niveau d’énergie E augmente en proportion de l’intensité du champ magnétique.3Dans cet exemple, B0 est de 1 T et, en raison de la différence de niveaux d’énergie, il y a un proton de plus aligné dans la direction parallèle par rapport à la direction antiparallèle.Dans ce premier exemple, le champ magnétique (B0) est de 1 tesla. En raison de la différence de niveaux d’énergie, il y a un proton de plus aligné dans la direction parallèle par rapport à la direction antiparallèle.4Si B0 est augmenté à 1,5 T, d’autres protons vont s’aligner dans la direction parallèle.Si B0 est augmenté à 1,5 tesla, d’autres protons vont s’aligner dans la direction parallèle.5La distribution statistique entre ces deux niveaux d’énergie est décrite par la distribution de Boltzmann. La distribution dépend de la température de l’échantillon dans lequel se trouvent les protons. Plus la température est élevée, plus la différence de nombre de protons entre les deux niveaux d’énergie diminue. La température de tous les patients est constante. Seuls les spins surnuméraires produisent le signal de RMN. À 1,0 T, l’aimantation nette est égale à environ 3,3 spins par million de protons, soit 3,3 ppm. À 1,5 T, le rapport augmente à 5 ppm. L’aimantation nette est plus forte et le rapport signal sur bruit augmente. La distribution statistique entre ces deux niveaux d’énergie est décrite par la distribution de Boltzmann. Celle-ci dépend de la température de l’échantillon dans lequel se trouvent les spins Plus la température est élevée, plus la différence de nombre de spins entre les deux niveaux d’énergie diminue. La température du corps des patients est relativement constante. En conséquence, seuls les spins surnuméraires produisent le signal de RMN. À 1,0 tesla, l’aimantation nette est égale à environ 3,3 spins par million de protons, soit 3,3 ppm. À 1,5 tesla, le rapport augmente à 5 ppm. L’aimantation nette est ainsi plus forte quand le champ est plus intense, et le rapport signal sur bruit augmente. L’aimantation (M) nette est partagée en deux composantes perpendiculaires : l’aimantation longitudinale (Mz) le long de l’axe z du champ magnétique l'aimantation transversale (Mxy) le long du plan x-y du champ magnétique L’aimantation nette est la source du signal de RMN.