RELAXATION LONGITUDINALE (T1)

En excitant les protons, ceux-ci vont être égalisés sur les niveaux d’énergie E1 et E2. L’aimantation M, créée par la présence d’une différence de charge positive entre ces deux niveaux, devient nulle lorsque cette variation de charge égale zéro. Ainsi, en envoyant une impulsion RF de 90 ͦ, la composante longitudinale Mz disparaît. Dès que les ondes radiofréquences cessent, la composante Mz retourne à son état d’équilibre (voir Fig.2-1).

Fig.2-1. 1) État d’équilibre : Mz=Mzo;

              2) Impulsion RF de 90 ͦ : excitation (Mzo=0);

              3) Relaxation : Mz=Mzo et Mxy=0.

Ainsi, l’aimantation longitudinale repousse progressivement. Il y a retour des protons du niveau de haute énergie sur celui de basse énergie. Cela permet d’émettre de l’énergie (celle absorbée lors de l’excitation des protons). La constante de temps T1 caractérise chaque type de tissus : elle repousse selon une fonction exponentielle croissante. Donc, plus T1 repousse rapidement, plus le temps de relaxation longitudinale d’un tissus est court. L’ordre de grandeur de T1 pour les tissus biologiques est de 500 ms à 1000 ms. La structure moléculaire des tissus (solide ou liquide) fait varier le T1. Par exemple, le temps de relaxation est plus long dans les liquides que dans les solides. Assurément, les molécules présentes dans les milieux biologiques (réseaux) sont sans cesse sous l’effet des mouvements de translation, rotation et collision. Ces derniers peuvent caractérisés par la fréquence des collisions moléculaires Vc. La relaxation spin-réseau (T1) absorbe l’énergie par le milieu biologique. T1 est d’autant plus opérant que la Vc est similaire à la fréquence de Larmor. En effet, pour céder de l’énergie aux protons par l’onde RF, il faut que Vr=Vo (condition de résonance). De cette même façon, les protons laissent leur énergie au réseau, il est nécessaire que Vc se rapproche de Vo. En respectant cela, les protons peuvent plus facilement redonner leur énergie, celle absorbée lors de l’excitation, au milieu biologique environnant. Ainsi, pour des tissus graisseux (grosses molécules aux mouvements lents), le T1 est court. À l’inverse, pour les molécules d’eau libre (molécules ayant des mouvements rapides), le T1 est long (voir fig.2-2). Alors, les protéines du corps (eaux liées ou grosses molécules) raccourcissent le temps de relaxation longitudinale.  Ainsi, lorsqu’une personne développe une tumeur ou un œdème, cette dernière aura un T1 plus allongée sur tel partie du corps (plus d’eau libre=T1 plus long). Également, en augmentant le champ Bo (Vo augmente), on allonge T1, car Vc ne varie pas. Ainsi, T1 est proportionnelles à Bo. Bref, l’imagerie utilise ces différences en T1 pour bien distinguer les tissus.

écrit par Louis Fortin

Un micromanipulateur dans l'IRM

   Comme mentionné dans des publications antérieures, la micro, voir nano-imagerie par IRM est une technologie en plein développement. Pendant que certains tâchent à améliorer le temps d'acquisition des images de haute qualité à l'échelle moléculaire, d'autres regardent vers de différents horizons et cherchent des utilisations innovatrices de la machine magnétique.

  Une étude datant d'avril 2005 explique la notion d'un manipulateur mécanique à l'échelle micrométrique pouvant opérer dans une unité d'IRM sans causer de distorsions importantes dans les images. En temps normal, un objet métallique provenant de l'extérieur, aussi petit soit-il, cause des distorsions dans le champ magnétique ce qui peut engendrer d'importants artéfacts ( erreurs d'image ). La publication précédente sur le blogue contient un exemple de perturbation due à un métal.

        Le manipulateur endoscopique présenté dans cet article ne contient qu'une quantité minimale de métal  retrouvée dans le câblage et dans les blindages magnétiques. En effet, les actionneurs utilisés dans ce mécanisme sont construits à base des polymères ayants de propriétés piézoélectriques. L'importance de cette avancée technologique est colossale. La visualisation à l'échelle micrométrique, en temps réel, par l'intermède de l'IRM combinée à la possibilité de manipulation précise du tissu biologique permet de concevoir des interventions chirurgicales au niveau cellulaire.

       En suivant le développement des manipulateurs compatibles avec l'IRM on peut trouver maintes exemples d'applications récentes dans le domaine médical. En 2009, le Département d'Ingénierie Mécanique de la prestigieuse MIT a conçu un type spécial de manipulateur dont le but spécifique serait la biopsie et le traitement du cancer de la prostate. L'article est disponible ici.

     Cette technologie est à surveiller car il se pourrait qu'à l'avenir , lors d'une intervention chirurgicale, nous nous retrouvons sur une table d'opération à l'intérieur d'un IRM.

    

Le mythe du métal dans un IRM

Certaines légendes urbaines prévoient que la présence de métal dans un appareil d’imagerie par résonnance magnétique peut être fatale à son utilisateur. Or, il s’avère que cette croyance est fausse pour plusieurs raisons.

D’abord, il est à noter qu’un objet allongé fait de métal ferromagnétique plongé dans un champ magnétique intense aura la tendance à s’orienter selon les lignes de champ magnétique, de la même manière qu’une boussole. Donc si quelqu’un entrait dans un IRM avec une tige d’acier dans les mains, cette tige s’orienterait dans le même axe que la personne (puisqu’elle est parallèle au champ de l’appareil).

Ensuite, l’utilisateur de l’IRM est toujours dénudé de tout métal avant de passer dans l’appareil et les seules pièces métalliques qui peuvent encore être sur l’individu sont les prothèses internes qu’il peut posséder (pensons aux tiges pour réparer les os et les remplacements d’articulation). De plus, nous savons tous très bien que seuls les métaux ferromagnétiques (Fer, Nickel, Cobalt) peuvent subir l’influence d’un champ magnétique. Nous savons aussi que les prothèses internes sont dans bien des cas faites de titane plaqué avec du cobalt. Il existe aussi des prothèses en polymères ou en aluminium. Ainsi, ce n’est pas un banal plaquage de cobalt qui pourrait blesser quelqu’un mortellement, car la quantité est infime.

Le mythe prédit aussi que les tatouages dans l’IRM peuvent brûler la peau de son porteur. Il y a effectivement des pigments dans les tatouages qui sont fait à partir de fer, mais celui-ci est sous forme ionique, ce qui lui enlève ses propriétés ferromagnétiques. Donc le fer ionisé est complètement sans réaction face au champ magnétique.

Les deux images suivantes sont identiques, sauf que l'une a été créée en présence de métal, d'où sa déformation évidente. La raison pourquoi l'image est déformée est que le métal ferromgnétique perturbe localement le champ magnétique de l'IRM, ce qui a comme effet de fausser le signal enregistré. C'est ainsi puisque la qualité de l'image dépend intimement de l'homogénéité du champ magnétique créé par l'appareil. C'est le seul inconvénient que peut amener le métal dans un IRM.

En somme, les chances d’être blessé par un IRM sont presque nulles. Bonne nouvelle!

À partir de :

www.chu-rouen.fr/radiologie/artefacts.ppt

http://fr.wikipedia.org/wiki/Proth%C3%A8se_de_hanche

Le rôle des gradients dans l'acquisition de l'image

Qu’est-ce qu’un gradient?

Pour réaliser une image, il est nécessaire de recueillir un signal et de situer ce signal dans l’espace. Pour y arriver, on applique un champ b dont l'intensité varie dans l’espace selon les trois axes de coordonnées x, y et z. C’est ce que l’on appelle le gradient de champ. Plus simplement, un gradient est la variation d’une donnée physique dans l’espace. Ainsi, lorsqu’on s’éloigne de la berge vers le centre d’un lac, il est possible d’affirmer qu’il existe un gradient de profondeur puisque plus on s’éloigne du bord de l’eau, plus la profondeur de l’eau est importante. La fréquence de résonance dépend directement de l’intensité du champ en une position donnée et en recueillant le signal émis en chaque position, il est possible de construire une image. Trois types de gradients sont combinés pour permettre l’acquisition de l’image : le gradient de sélection de coupe, le gradient de codage de phase et le gradient de codage de fréquence.

Comme l'indique la figure ci-haut, la différence d'intensité de champ entre deux points est proportionnelle à la distance dans la direction du gradient. De plus, la fréquence de rotation (ou précession) des protons est directement proportionnelle à l'intensité du champ magnétique.

La sélection de la coupe

Le gradient de sélection de coupe sélectionne la tranche qui sera explorée. Il est appliqué en même temps qu'une onde radiofréquence. Seuls les protons en résonnance font partie du plan de la coupe, qui est perpendiculaire au gradient de champ appliqué. Pour qu’il y ait résonnance, il faut que la fréquence de rotation des protons soit la même que celle de l’impulsion radiofréquence émise. Cette fréquence est la fréquence de Larmor. La vitesse de rotation des protons dépend directement de l’intensité du champ magnétique. Les protons ayant une vitesse de rotation différente de la fréquence de résonance de Larmor ne font pas partie du plan de coupe.

Il serait impossible d’obtenir un plan de coupe sans l’application d’un gradient de champ, puisqu’en son absence, tous les protons compris à l’intérieur de l’antenne radiofréquence entreraient en résonnance lors de l’impulsion de l’onde radiofréquence. Effectivement, dans un champ magnétique uniforme, tous les spins ont la même fréquence de précession autour du champ.

Gradient de codage de phase (Gφ) et gradient de codage de fréquence (Gω)

Le gradient de codage de phase est appliqué dans une direction du plan, par exemple, la verticale. Lorsqu’il est appliqué, les fréquences de rotation des protons sont modifiées, ce qui crée des lignes de protons ayant la même vitesse de précession. Il en résulte un déphasage qui persiste même lorsque le gradient de codage de phase est interrompu. Par conséquent, lorsque le gradient de codage de phase est arrêté, les protons regagnent la même vitesse de rotation, mais le déphasage demeure. Ce déphasage est enregistré sous forme d’un signal recueilli par l’antenne.

Pendant le recueil du signal le gradient de codage de phase est appliqué dans l’autre direction du plan, dans ce cas, selon l’axe horizontal. Lorsqu’il est appliqué, les fréquences de précession des protons sont modifiées à l’horizontal, ce qui crée des colonnes de protons qui ont la même vitesse de précession. Cette fréquence est elle aussi enregistrée par l’antenne.

Le codage spatial de l’image

En bref, la coupe est sélectionnée en fonction de l’intensité et de l’orientation du gradient, qui déterminent son orientation et son épaisseur. Cet espace est analysé voxel par voxel, le voxel étant une unité de volume. Dans le plan, chaque pixel (unité de surface) est localisé selon la ligne et la colonne à laquelle il appartient. Le codage spatial est obtenu par la combinaison du codage de phase et du codage de fréquence dans une matrice. En appliquant un gradient de codage de phase suivi d’un gradient de codage de fréquence, il est possible d’obtenir l’information d’une ligne de la matrice. De nouveaux gradients doivent être appliqués pour que l’information concernant chacune des lignes soit enregistrée, d’où la durée de l’examen IRM. Ces informations sont transformées en séries de Fourier par un ordinateur puissant permettant l’obtention d’une image en deux dimensions. Il est ensuite possible de superposer les coupes pour obtenir une image en trois dimensions.

Sources:

http://www.phys.umontreal.ca/cours/H2011/PHY2300/coursirm_2009_1.pdf

http://www.sante.univ-nantes.fr/med/ticem/ressources/203.pdf

VADROT, D. et coll,  "Localisation du signal émis: les gradients de champ magnétique", Imagerie par résonance magnétique, Notions théoriques applications pratiques abdomino-pelviennes, Paris, Éditeur Maloine, p. 61-69.

 

L'IRM pour cesser de fumer

Le mois dernier, nous avons appris qu’il est possible, grâce à l’IRM, de détecter l’activité cérébrale. La localisation des zones actives du cerveau pourrait éventuellement être utile à la détection du mensonge. Dans un même ordre d’idées, une étude réalisée aux États-Unis et publiée dans la revue scientifique Health Psychology en février dernier a démontré que l’IRM permettrait dorénavant d’identifier les individus les mieux disposés à cesser de fumer.

La recherche a été effectuée auprès de 28 fumeurs suivant un programme d’abandon de la cigarette. Leur cerveau a été passé sous IRM lorsqu’ils visionnaient des publicités encourageant au sevrage du tabac. Les personnes les plus motivées à se défaire de leur dépendance présentaient effectivement une activité accrue du cortex préfrontal.

Sachant que la réussite du sevrage de la cigarette dépend à 50% de la volonté de l’individu, ce nouvel examen pourrait s’avérer une excellente source de motivation pour les personnes touchées.

Pour plus de détails, voir http://www.manip-info.com/actualites/etudes-scientifiques/article/l-irm-predit-la-determination-des

Phénomène de relaxation T1 et T2

La relaxation commence par l’arrêt de l’impulsion RF et par le retour des protons (Mo) à leur état d’équilibre. Le T1 est le retour de l’aimantation longitudinale (Mz). Le T2 est la disparition de l’aimantation transversale (Mxy).

L’aimantation longitudinale à l’équilibre : Mz=Mo. En envoyant une onde RF perpendiculaire à Mz, les protons de E1(haute énergie) vont se déplacer vers E2(basse énergie). L’aimantation longitudinale : Mz=0. Ensuite, en arrêtant l’onde RF, les protons vont retourner à leur position d’équilibre (Mz=Mo). De plus, grâce à une antenne réceptrice, il est possible de capter les variations d’énergies causées par le déplacement des protons (Mz=Mo, Mz=0), à l’aide de la technique saturation-récupération. Par ailleurs, selon le temps (T1) que prennent les protons à retrouver leur position d’équilibre, on peut différencier chaque tissu du corps (image plus claire).

Phénomène de relaxation T1 (aimantation longitudinale)

L’aimantation transversale à l’équilibre : Mxy=0. L’onde RF envoyée, les protons sont déphasés et ceux-ci s’orientent selon Mxy (Mxy=Mo). L’onde RF arrêtée, les protons retrouvent leur état d’équilibre (Mxy=0). Grâce à une bobine réceptrice, on peut capter le courant électrique induit dans cette même bobine (causé par le déphasage et le rephasage des protons).

 

Phénomène de relaxation T2  et disparition de l'aimantation Mxy (aimantation transversale).



Louis Fortin