Bases de l'IRM en cardiologie - CHU de Rouen

Bases de l’IRM en cardiologieJN Dacher, CHU ROUEN

Objectifs de l’enseignement• Bases physiques de l’IRM– Concepts de base du phénomène physique– Connaître la définition de• TR, TE, T1, T2, TI, pondération– Comprendre l’asservissement ECG en IRM– Connaître les contre indications absolues etrelatives de l’IRM

Sources et lectures recommandées• Web; e-mri par D Hoa• B Kastler et D Vetter ; « Comprendrel’IRM, manuel d’auto apprentissage »,Masson• J Bogaert et al.; Clinical Cardiac MRI ,Springer• MRI made easy. Monographie Schering

• Historique :Découverte du phénomène : 1926Bloch et Purcell : Spectres de RMN en 1946Damadian : Spectres tissulaires en 1972Lauterbur : Applications à l’imagerie par analogie à latomodensitométrie (fin des années 70)en cardiologie; premières publications anciennes« explosion » depuis l’avènement de deux grands types deséquences; balanced FFE et delayed enhancement

Le champ induit

LE N de RMN : le proton• L’hydrogène (H + ) contient un seul proton etprésente l’avantage de son extrême abondancedans le corps humain• Spontanément, les protons du corps humain sontorientés au hasard• Soumis à un champ magnétique externe donné(exprimé en Tesla), la fréquence de rotation(MHz) de l’hydrogène est constante (42,58 MHz /Tesla)

Pas de champmagnétiqueaxes variablesrésultante nulle

LE N de RMN•N: Nucléaire, Nucléon, Proton. Aimantmicroscopique du corps humain qui s’alignedans l’axe d ’un champ magnétique extérieurstable en tournant (spin) autour de son propreaxe à la fréquence FF = Bo . KF : fréquence de rotation (ou de précession)Bo : champ magnétiqueK : constante gyromagnétique de l’hydrogène

LE N de RMN• L ’IRM est une imagerie de l ’hydrogène– les organes dépourvus d ’H+ ne donnent pas de signal• air ambiant ou alvéolaire• ligaments• corticale des os

De la RMN à l’IRM...M : Magnétique. Champ magnétique puissant(Bo)) et aussi stable que possible, responsablede l’alignement des protonsaxe homogène : magnétisation maximaleet état d ’équilibre

LE M de RMN• L’aimant– naturel : bas champ (0.2T) , poids considérable (11 à12 tonnes, pas de développement actuel, neconsomme aucune énergie– résistif : électro aimant posant le problème de laproduction de chaleur– supra conducteur : alliage particulier perdant touterésistance électrique au zéro absolu, permet dedévelopper des champs élevésW = R I 2 t

LE M de RMN : le champ magnétique• Les protons (N) soumis au champ Bo (M) vontsubir essentiellement 2 phénomènes- Orientation ou alignement le long de l’axe duchamp magnétique (z) vers le «Nord» (+ z, basseénergie) ou vers le « Sud » (-z haute énergie)- Rotation ou Précession le long de l’axe z à unefréquence (de Larmor) qui dépend de laconstante gyromagnétique et du champF = Bo . K

• A l’équilibre, tous les H+ soumis au champ sontorientés suivant l’axe z en ± et effectuent unerotation de fréquence constante. Cependant ilssont déphasés

LE R de RMN :résonance et radiofréquence (RF)• L’application d’une radiofréquence égale à lafréquence de Larmor du proton a 2 effets1) Elle fait passer un certain nombre de protonsd’un état de basse énergie à un état de hauteénergie2) Surtout, elle met l’ensemble des protons enphase (c-à-d sur le même point de leursorbites respectives)

LE R de RMN :résonance et radiofréquence (RF)• L’application d’une radiofréquence différentede la fréquence de Larmor du proton n’a aucuneffetperte de l’énergie dans le milieuceci permet de ne faire résonner que certainsprotons

LE R de RMN :résonance et radiofréquence (RF)• Immédiatement, après l’administration d’uneonde très brève (pulse) de RF, la magnétisationlongitudinale (z) est nulle. Un vecteur demagnétisation transversale (rephasage desprotons) est apparu

La relaxation des protons stimulés

LE R de RMN :résonance et radiofréquence (RF)• Dès l’arrêt de la RF, l’antenne émettrice devientréceptrice. Les protons qui ne sont de nouveauplus soumis qu’au champ magnétique principalBo vont tendre à retourner à l’état qui était leleur avant l’administration de la RF. C’est larelaxation

La relaxation des protons stimulés

Le signal IRM• La relaxation protonique sous l’influence duchamp Bo (après l’impulsion RF qui est coupée)induit un courant électrique (loi de Faraday) quiest recueilli par l’antenne :le signal IRM

Les 2 relaxations simultanées• Relaxation transversale : diminution du vecteurde magnétisation transversale (T2) =Perte de la synchronisation RF induite• Relaxation longitudinale : recroissance duvecteur de magnétisation longitudinale (T1) =Retour à l’état d’équilibre

Résumé du phénomène• Corps humain, Coeur : population de protons (ions H+)• Dans un champ magnétique externe puissant• Obtention d ’un état d’équilibre• Administration d’une onde de radiofréquence• Retour à l’état d’équilibre (relaxation)• Induction par les protons en relaxation d’un signalélectromagnétique (le signal IRM)• La relaxation diffère d’un tissu à l’autre• On peut créer une image avec du contraste entre lestissus (échelle de gris)

Le matériel et le patient• Aimant supraconducteur (parfois naturel)• Bobines de gradients (positionnement du signaldans l’espace)• Antenne émettrice (onde de radiofréquence RF)• Antenne réceptrice (recueil du signal)• Système informatique (traitement des données ettransformation du signal électromagnétique enimage)

Localiser la provenance du signal• Les protons capables de recevoir l’énergie sontceux dont la fréquence de rotation est égale à lafréquence de l’onde RF.• Il n’y a pas de transfert d’énergie aux protonsdont la vitesse est différente (intérêt des bobinesde gradients et importance de « l’immobilité » dela source de protons, c-a-d le patient, ou bien lecoeur)

Localiser la provenance du signal• Des gradients de champ magnétique sontappliqués dans les 3 plans de l’espace (x, y, z).Ils modifient de façon graduelle le champprincipal Bo dans les 3 plans de l’espace• Une coupe donnée, choisie par l’examinateur,est excitée par une radiofréquence sélectionnée.On n’enregistre pour remplir la matricecorrespondante que les protons qui résonnent àcette fréquence

Localiser la provenance du signalDéfinition du « gradient de sélection de coupe » (GSS)La finesse de coupe dépend de la « vitesse de montée » (pente)des gradients

Localiser par la phase et la fréquence• Gradient de codage de phase (Gp); codagedes lignes de l’espace de Fourier• Gradient de codage de fréquence (Gf);codage des colonnes

Application des gradientsGradient de sélectionde coupe (Fc)Gradient de codagede phaseGradient de codagede Fcω 6ω 1φ 1ω 2φ 3φ 3φ 3ω 2ω 3φ 2ω 3φ 1φ 1φ 2φ 2ω 1ω 3ω 1ω 2φ 2φ 3φ 1G SS G φ G ωSignalG SS G φ G ω90°

Localiser la provenance du signal• L’IRM requiert l’immobilité du patient ou del ’organe– sédation des enfants– IRM cardiaque : nécessité de synchroniserl ’acquisition à l ’ECG– IRM avec synchronisation respiratoire (foie, reins)– Synchronisation cardiaque et respiratoire ; IRMcoronaire

Mise en place de l’ECG• Préparation de la peau• Pose des électrodes• Ne pas croiser les fils• Axe du cœur : variable selonla corpulence

Les 2 modes desynchronisationECGSynchro.Synchronisation ProspectiveRR-RFENÊTRE D ’ACQUISITIONMESURES• Acquisition déclenchée par la détection de chaque onde R• Réglage de la fenêtre d ’acquisition ≤ 90% du RR• L ’acquisition ne se fait que pendant cette périodeRFENÊTRE ACQ.MESURESSynchronisation RétrospectiveECGSynchro.RR-RFENÊTRE D ’ACQUISITIONMESURES• Acquisition continue• Mesures triées une fois l’acquisition achevée, rétrospectivement• Réglage de la fenêtre d ’acquisition > de 10 à 20 % au RRRFENÊTRE

Vérification du signal ECG• Vérifier la bonne amplitude du signal avec une grande onde R positive• Choisir la meilleure dérivation• Repositionner les électrodes jusqu’à l’obtention d’un bon tracé.• Connaître la pseudo croissance de l’onde T dans l’IRM• ECG diagnostique limité dans l’enceinte de l’IRM

Les limites de l’ECG• Limites et artéfacts: arythmie,extra-systoles nombreuses,micro-voltage desépanchements péricardiquesabondants («swinging heart»)• Il est inutile de démarrer unexamen si la synchronisationest défaillante

Exemples de tracés ECG en coursd’acquisitionSynchro ProspectiveSynchro Rétrospective

Exemple de séquence CINE segmentéeavec synchronisation prospectiveRIntervalle RRRECGSynchro.Fenêtre d’acquisitionFenêtre d’acquisitionSegments......Phases1234...N1234...N

Principe de segmentation• L’espace R-R est divisé en plusieurssegments– Nécessite des commutations rapides desgradients• Au cours de chaque segment, on enregistreplusieurs lignes (et non pas une seule)• Gain de temps permettant l’acquisition d’unplan de coupe en une apnée

Choix du type de synchronisationCINE IRM (balanced FFE) ; rétro Quantification des flux (Contraste de phase) ;pro

Revenons à notre image…• Les différences des temps de relation des tissussont à la base du contraste en IRM• Le temps de relaxation d’un tissu dans le planlongitudinal est aussi appelé temps T1• Le temps de relaxation d’un tissu dans le plantransversal est aussi appelé temps T2

Les 3 paramètres fondamentauxdu signal IRM• T1 : temps requis pour qu’un tissu retrouve63 % de sa magnétisation longitudinale• p : densité de protons• T2 : temps requis pour qu’un tissu perde 63 % desa magnétisation transversale• Ces 3 paramètres sont les déterminants principauxde la brillance (intensité) de chaque voxel (unitéde volume étudiée) et du contraste (différenced’intensité entre les voxels voisins)

Temps d’Écho TE etTemps de Répétition TR• Le TR est le temps séparant 2 séquencesélémentaires successives (impulsions de 90°)• Un Temps de Répétition court (500 ms)« pondère » l’image en T1 : la recroissance duvecteur de magnétisation longitudinale estincomplète

ZTR courtXYSignal IRMDifférences surtoutliées au T1tps

Temps d’Echo TE etTemps de Répétition TR• Le TR est le temps séparant 2 séquencesélémentaires successives (impulsions de 90°)• Un TR long fait disparaître la pondération T1 : lesvecteurs longitudinaux des différents tissus se sontrejoints (pondération T2)

ZTR longXYTR• Signal IRM• Différences liéesuniquement au T2TEtps

Pond. T1Pond. T2

Temps d’Echo TE etTemps de Répétition TR (2)• Le TE est le temps qui sépare l’impulsion de 90° de lamesure• Plus le Temps d’Écho est court, plus le signal est fort• Mais, moins le contraste est important• TR long et TE court donnent une image à fort signal etfaible contraste : le signal est fonction de la densité deprotons (p)• Si on allonge le TE, on perd du signal mais on gagne ducontraste. Il faut trouver un compromis pour obtenir desimages interprétables et pondérées en T2 (TR et TElongs)

Le produit de contrasteInjection de Gd

Inversion récupération• Inversion de 180° préalable à l’excitation de90° (hyper pondération T1)• Identification d’un contraste (faible) entremyocarde normal et zone retenant legadolinium (fibrose, nécrose, granulome)

Inversion récupération

Séquence 2D IR segmentée

Le temps d’acquisition• Il dépend du Temps de Répétition (TR) desimpulsions• Il dépend de la matrice utilisée• Il dépend du nombre d’acquisitions demandé(moyenne des mesures)

En imagerie cardiaque,• Le TR dépend de l’espace RR, et on nepourra pas obtenir strictement despondérations T1 et T2

Les séquences « classiques »• Spin écho ; les hétérogénéités du champmagnétique sont annulées par une doubleimpulsion sélective de RF 90, puis 180°– Sang noir car les protons circulants excités ont quitté leplan de coupe au moment de l’écoute du signal– Séquences consommatrices de temps et de qualitémédiocre (respiration libre)– Spin écho multi coupes = multi phases, donc pas adaptéaux mesures (p ex. épaisseur diastolique du myocarde)

Les séquences « classiques »• Écho de gradient ; l’angle de bascule estmoindre. Pas de double impulsion(inversion du gradient de lecture)– Sang « blanc » par phénomène d’entrée decoupe– Séquences sensibles au déphasage– Encore utilisées pour l’analyse du jeu valvulaire

Les « nouvelles » séquences• TR court avec aimantation transversalerésiduelle– On peut la détruire (spoiler); base de l’ARMavec injection. Pondération T1 forte.– On peut la renforcer (gradients rephaseurs,séquences SSFP). Amélioration du rapportsignal / bruit

Les préparations• Saturation de la graisse• Présaturation des spins circulants ;préparation dark blood• Tagging

Contre indications à l’IRM• Cardiologiques– Pacemaker– Défibrillateur implantable– Nb. Les stents coronaires même récents et lesprothèses valvulaires ne contre indiquent pas lapratique d’une IRM jusqu’à 1.5T• Extra cardiologiques– Neurostimulateur– Corps étranger métallique intra oculaire– Implant cochléaire– Claustrophobie ; penser à poser les bonnesquestions au patient avant toute IRM (tunnel,ascenseur..)

En 2007, les dispositifs implantés (PM, Def, NS) sont devenusdes contre indications relatives à la pratique de l’IRM.En cas de besoin d’imagerie, préférer le scannerSi l’IRM est indispensable, nécessité d’avis d’un trio médicalqui doit être présent le jour de l’examenDemandeur de l’examenResponsable du dispositif implantéMédecin en charge de la réalisation de l’IRM