Physique pour la médecine

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Utiliser les temps morts

Imagerie par résonance magnétique (IRM)

Chapitre VI: L’IRM rapide

IV.B Utiliser les temps morts.

1)Acquisition multicouche.

Travailler à TR court n’est pas toujours intéressant, ni même souhaitable. En particulier, favoriser un contraste en T2 ou en densité de protons tout en réduisant l’influence de T1 suppose qu’après chaque excitation on laisse le temps à l’aimantation longitudinale de retrouver son maximum ou tout au moins de s’en rapprocher, ce qui implique un TR long. S’il s’agit d’acquérir une coupe unique, le temps mort consacré à cette seule repousse de l’aimantation longitudinale est important (partie haute du schéma ci-dessous). En spin écho par exemple, le temps nécessaire pour récolter l’information sur le signal, suite à une séquence d’impulsions 90° puis 180° est mesuré par TE, qui est de l’ordre d’une dizaine ou de quelques dizaines de ms. Le reste du temps TR, pendant lequel il ne se passe rien d’autre que la repousse, est quant à lui de l’ordre de la seconde. Ce n’est qu’après qu’on excite à nouveau la zone pour acquérir la deuxième ligne du plan de Fourier selon le même schéma, et ainsi de suite.

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L’acquisition multicouche consiste à exploiter le long temps d’attente qui suit la prise d’une ligne dans la couche visée pour aller mesurer une ligne analogue dans une couche voisine, puis dans une troisième couche et ainsi de suite, le nombre de couches ainsi sondées sur un seul TR pouvant aller jusqu’à dix ou même plusieurs dizaines (partie basse du schéma ci-dessus, où pour simplifier on a pris l’exemple de quatre couches). Le fait est que cela ne diminue pas le temps d’acquisition de l’image, mais l’idée est ici de profiter des temps morts pour obtenir de l’information sur une zone bien plus large qu’une couche unique. En particulier, s’il s’agit au bout du compte de reconstruire non pas une image 2D mais un volume complet, le gain de temps est manifeste.

Le balayage de la zone multicouche peut adopter différents protocoles mais un schéma simple consiste à utiliser au premier balayage le même gradient de phase pour acquérir la première ligne de toutes les couches, puis de modifier au deuxième balayage le gradient de phase pour acquérir la deuxième ligne de toutes les couches, et ainsi de suite jusqu’à obtenir la dernière ligne des différents plans de Fourier.

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La sélection des coupes se fait classiquement en instaurant le gradient Gss pendant les impulsions 90° et 180° et en choisissant pour celles-ci la fréquence de résonance de la coupe visée. En mode multicoupe, un problème dont il faut tenir compte est celui du « cross-talk », à savoir le fait qu’une sélection de coupe n’est jamais parfaite : la population de protons activée par une séquence se trouve bien entendu pour l’essentiel confinée dans la tranche concernée, mais déborde aussi en partie sur les tranches voisines de part et d’autre. Si les coupes sondées dans la séquence sont parfaitement contigües, chacune d’elles peut inclure de l’information venant du voisinage. Une façon de rencontrer le problème est de laisser entre deux tranches un espace « vide » qui ne sera pas imagé. Une autre façon, plus fréquente et plus satisfaisante, consiste à garder des coupes contigües mais à les activer en mode entrelacé, typiquement la séquence de coupes n°1,3,5… suivie de la séquence 2,4,6…, l’idée étant, que pendant qu’on explore les coupes impaires, l’activation parasite induite dans les coupes paires aura le temps de s’atténuer avant qu’on y arrive.

2) Double contraste.

Quand on travaille à TR long, autrement dit quand on laisse le temps aux magnétisations longitudinales de retrouver leurs valeurs de plateau caractérisées par le nombre de protons, la bascule dans le plan transverse donne des contrastes qui, juste après la bascule, sont fortement pondérées en le nombre de protons mais qui, au fur et à mesure que les aimantations transverses décroissent exponentiellement, laissent peu à peu s’exprimer les différences en T2. En écho de spin il n’est pas possible de mesurer un signal immédiatement après la bascule, vu qu’il faut au moins prendre le temps d’envoyer l’impulsion 180° puis d’ouvrir la fenêtre de mesure. On dira que si on travaille au plus vite on obtient une pondération intermédiaire, alors que si on attend plus longtemps on obtient une pondération en T2. Une séquence à double contraste est une séquence qui permet d’acquérir l’une après l’autre, donc avec des temps d’écho TE différents, deux images à contrastes différents, l’une avec pondération intermédiaire, l’autre pondérée en T2. On notera que, comme ci-dessus, il ne s’agit pas véritablement d’augmenter la vitesse d’acquisition d’une image, mais plutôt d’utiliser le temps libre de décroissance transverse pour obtenir de l’information supplémentaire en construisant pour la même région anatomique deux vues complémentaires.

En pratique il s’agit, suite à la bascule à 90°, d’envoyer en un temps TE1/2 très court une impulsion 180° qui générera un premier écho au temps TE1. A cet instant tous les protons se sont remis en phase pour ensuite se déphaser à nouveau peu à peu. L’idée est d’envoyer en TE1+t une nouvelle impulsion 180° qui provoquera un nouvel écho en TE1+2t=TE2. Le premier signal est précoce, avec pondération intermédiaire ; le second est plus tardif, avec pondération en T2.

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Un même gradient Gss de sélection de coupe est appliqué pendant les impulsions 90° et 180° afin que seule la tranche visée soit activée par la séquence. Un gradient de phase Gφ unique, envoyé avant le premier écho, impose aux protons un certain déphasage selon l’axe de codage en phase, déphasage qui sera le même pour les deux signaux et servira à remplir la même ligne dans les plans de Fourier de chacune des deux images. La ligne suivante sera acquise lors d’une séquence analogue qui suivra la prochaine bascule à 90°, par l’envoi d’un gradient de phase Gφ légèrement différent, et ainsi de suite jusqu’à remplissage complet des plans de Fourier.

A noter qu’une séquence à double contraste est très rapide puisqu’elle doit se loger dans la décroissance de la magnétisation transverse, caractérisée par T2. Etant donné qu’elle implique par ailleurs un TR long (contrastes en nombre de protons et en T2), elle peut parfaitement se combiner avec un travail en multicouche tel que décrit au paragraphe précédent. Soit par exemple un TE1 de 10ms et un temps t de 30ms : autrement dit, la première impulsion de 180° est envoyée après 5ms, le premier signal atteint son maximum après 10ms, suivi après 30ms d’une deuxième impulsion de 180° qui fera apparaître le second écho 30 nouvelles ms plus tard. Cela donne un TE2 de 10+2x30=70ms. Il faut ajouter à cela 5ms qui représentent la deuxième moitié de la fenêtre de mesure du second signal (la mesure démarre 5ms avant le maximum pour s’arrêter 5ms après, étant entendu qu’il s’agit là de valeurs typiques), ce qui donne 75ms pour la séquence complète. En supposant un TR de 2000ms par exemple, il apparaît qu’on peut envisager ici jusqu’à 25 couches acquises dans un même intervalle TR.

3)Multi-écho.

L’expression « multi-écho » pourrait convenir au mode à double contraste du paragraphe précédent, mais on la réserve plutôt à des techniques où, à la suite d’une bascule dans le plan transverse, de nombreux échos sont générés dans un laps de temps très court. Chaque écho sert à remplir une ligne du plan de Fourier, ce qui veut dire qu’un seul train d’échos remplit bon nombre de ces lignes et que dès lors on a cette fois un véritable gain de temps dans l’acquisition de l’image. Le gain de temps par rapport à un mode à signal unique s’obtient en divisant le nombre de lignes du plan de Fourier par le nombre d’échos générés en une seule excitation de la couche anatomique. On en arrive même à remplir en une fois l’entièreté du plan de Fourier, ce qui conduit à des acquisitions d’images réduites à l’ordre de quelques dizaines de millisecondes, ou en tout cas inférieures à la seconde. Ce gain s’accompagne à vrai dire d’une perte en qualité d’image, compromis que certaines applications acceptent alors que d’autres le refusent.

Dans un train multi-écho, chaque écho est obtenu au départ du précédent soit par une impulsion 180° qui inverse les phases (mode spin-écho, qui donne les séquences fast spin echo, ou turbo spin echo ou RARE), soit par une inversion des fréquences (mode echo de gradient, qui donne les séquences echo planar imaging EPI). Les différences entre les deux modes seront exposées un peu plus en détail ci-dessous. Le temps que prend l’acquisition d’un train d’échos est dit durée de train d’échos ; le nombre d’échos dans un train est dit longueur de train d’échos.

Pour pouvoir attribuer chaque écho à une ligne différente du plan de Fourier, il faut le faire précéder d’un gradient de phase qui doit être faible pour le milieu du plan (gradient nul au centre du plan), positif et de plus en plus élevé pour progresser dans la partie supérieure, et négatif et de plus en plus prononcé pour progresser dans la partie inférieure. La séquence suivie pour atteindre ce résultat diffère selon le mode, spin-écho ou écho de gradient, ce qui sera développé ci-dessous.

Un train d’échos se développe le long de la décroissance de l’aimantation transversale, en T2 ou en T2* selon le mode adopté, spin-écho ou écho de gradient. Chaque écho est donc lié à un contraste en tissus différent selon l’endroit où il se situe dans cette décroissance, de sorte que l’image finale est marquée par une forte mixité en pondération T2 ou T2* et densité de protons. On sait toutefois que, dans le plan de Fourier, c’est le centre qui définit le plus efficacement le contraste final, alors que la périphérie est plutôt liée à la définition et à la netteté des bords. Le centre du plan de Fourier, c’est la région où le gradient de phase est faible, et même nul sur la ligne exactement centrale, et c’est donc là que le signal présente les amplitudes les plus élevées[1]. S’il est vrai donc que l’image présente un contraste mixte en pondération, il est vrai également que c’est la région centrale du plan qui fournit le contraste dominant, sans pouvoir éviter pour autant un flou visuel plus ou moins prononcé. Sachant que chaque écho dans un train survient à un temps d’écho TE différent, on appelle temps d’écho effectif TEeff le temps qui sépare l’impulsion de bascule initiale et le signal associé à un gradient de phase nul. (Le schéma ci-dessous est purement qualitatif ; la mise en œuvre en pratique d’un multi-écho est exposée plus loin)

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Puisque les valeurs de gradient de phase peuvent être distribuées assez librement aux différents échos du train, le contraste dominant peut-être défini de manière assez souple en choisissant à quel écho du train on attribue le gradient de phase nul, et cela peut-être le tout premier (TEeff court) comme cela peut-être un écho plus tardif (TEeff long).

  1. a)Multi-échos en spin-écho

En mode spin-écho, on parle de fast spin echo ou turbo spin echo. Dans ce mode, chaque écho est généré au départ du précédent par une impulsion 180°. Lors d’une résonance tous les protons sont très brièvement mis en phase pour se mettre ensuite à se décaler progressivement. Une impulsion 180° inverse les décalages, ce qui fait apparaître une nouvelle résonance selon le principe classique du spin-écho. Dans le domaine de radiofréquence RF, on a donc tout d’abord une impulsion de bascule de 90° ou plus généralement d’un angle inférieur α, suivie d’une série d’impulsions 180° qui font chacune apparaître un signal mesurable (Dans le schéma ci-dessous, la série d’échos présente des amplitudes définies uniquement par la position de l’écho dans le plan de Fourier, alors qu’en fait ces amplitudes devraient en plus s’atténuer très rapidement selon l’exponentielle de décroissance en T2. On a privilégié ici la lisibilité du dessin à la réalité des choses).

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Le gradient de sélection de coupe Gss accompagne chaque impulsion émise par l’antenne, l’impulsion de bascule initiale puis la série d’impulsions 180°, ce qui est habituel en spin écho et sert à s’assurer que seuls les protons compris dans la couche anatomique visée seront concernés. Le gradient initial lié à la bascule est suivi d’un lobe de compensation, ce qui n’est pas nécessaire pour les suivants puisque l’impulsion 180° est auto-rephasante (voir à ce sujet le Ch.IV.C)

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Le gradient de fréquence Gf est bien entendu activé lors de la lecture des signaux de résonance. Chaque activation de Gf est précédée d’un lobe de préparation (Ch.IV.C) mais il est aussi suivi d’un lobe analogue de compensation pour les déphasages provoqués par Gf dans la seconde moitié du signal. Ce second lobe de compensation n’était pas vraiment nécessaire en mode d’écho unique puisque dans ce cas la séquence s’arrêtait là, alors qu’ici il faut remettre les choses à zéro pour préparer la résonance suivante.

Enfin, la séquence en gradient de phase Gφ doit être ici bien comprise, car c’est elle qui attribue à chaque écho une ligne du plan de Fourier. Dans le schéma ci-dessus on commence par un gradient négatif assez élevé, ce qui impose aux protons des déphasages importants dans un ordre donné… d’où un signal de résonance assez faible dont l’échantillonnage servira à remplir une ligne dans le bas du plan. Ce gradient doit être compensé par un autre qui lui est exactement opposé juste avant l’impulsion 180° suivante, car celui-ci a pour effet d’inverser l’effet de Gφ : Laisser les choses en l’état aurait pour conséquence qu’une analyse en phase de deux signaux consécutifs mélangerait des protons situés à des endroits différents. Quand on a compris ce principe de compensation, on voit que dans le schéma ci-dessus le gradient de phase diminue d’un écho à l’autre, s’annule puis augmente dans l’autre sens, ce qui remplit ligne par ligne et de bas en haut le plan de Fourier. Comme expliqué plus haut, le temps entre l’impulsion de bascule initiale et le signal à gradient de phase nul est dit temps d’écho effectif TEeff.

L’impulsion 180° caractéristique du spin-écho, les lobes de compensation en Gf ainsi que le lobe d’annulation du gradient de phase sont autant d’éléments qui limitent la réduction dans le temps d’un multi-échos de ce type, en particulier l’acquisition en une seule fois du plan de Fourier dans son entier (single shot technique). C’est pourquoi le multi-échos en spin écho se conçoit le plus souvent en étalant la mesure sur plusieurs excitations (plusieurs bascules dans le plan transverse), même si les techniques modernes et différentes astuces comme une mesure en demi-plan de Fourier permettent aujourd’hui de descendre sous la demi-seconde en mode single -shot.

  1. b)Multi-échos en écho de gradient

En mode écho de gradient on parle d’echo planar imaging EPI. Il n’y a plus ici de signaux 180° mais une série d’impulsions qui activent le gradient de fréquence alternativement dans un sens puis dans l’autre, ce qui inverse à chaque fois l’ordre des vitesses des protons et provoque ainsi l’apparition d’un nouvel écho. La différence avec le spin-écho est illustrée dans le schéma ci-dessous, où les trajectoires d’une même couleur sont censées simuler le comportement d’une même famille de protons à un endroit particulier (imaginer par exemple que les trajectoires rouges sont associées au protons situés tout à fait à gauche sur l’axe des x alors que les trajectoires bleues sont associées aux protons situés tout à fait à droite en x) : En spin-écho (partie gauche du schéma), les protons qui vont plus vite et prennent de l’avance (trajectoires rouges) se voient renvoyés par l’impulsion 180° à l’arrière de ceux qui sont allés plus lentement et ont pris du retard (trajectoires bleues) mais, étant donné qu’ils gardent la même vitesse, ils comblent à nouveau leur retard (nouvel écho) pour ensuite reprendre à nouveau de l’avance, et ainsi de suite. En écho de gradient (partie droite du schéma), c’est l’ordre des fréquences qui est inversé : Les protons qui vont le plus vite et prennent de l’avance deviennent ceux qui vont le plus lentement et se font donc rattraper (nouvel écho) puis dépasser par les autres.

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On sait que de ce point de vue l’écho de spin a l’avantage de supprimer les effets instrumentaux systématiques, ce qui s’accompagne d’une meilleure qualité d’image. L’écho de gradient est quant à lui plus rapide en acquisition et permet plus facilement le single shot, ou mesure en un seul train d’échos de l’image entière.

En ce qui concerne la séquence, le gradient de coupe Gss doit être appliqué une seule fois, pour entourer le signal de bascule en radiofréquence RF.

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Le gradient de fréquence Gf présente l’alternance annoncée pour générer la suite d’échos. Le tout premier signal est précédé d’un lobe de demi-longueur pour provoquer un premier déphasage et générer le premier écho.

Le gradient de phase Gφ débute par une haute impulsion négative qui permet de pointer le bas du plan de Fourier. On remonte ensuite le plan de ligne en ligne par une série de petits bips qui sont cumulatifs puisqu’à chaque étape on joue un peu plus sur le déphasage entre protons. Le gradient de compensation qui était imposé par l’impulsion 180° en écho de spin n’est pas nécessaire ici. De très « négatif » au départ, le déphasage commence par diminuer. Quand il est nul l’écho est maximum et définit le temps d’écho effectif TEeff. L’ordre des déphasages s’inverse ensuite et s’accroît pour remplir la deuxième moitié du plan de données.

On conçoit que cette séquence peut-être fortement comprimée pour fournir des temps globaux assez réduits. Le point est que du point de vue du gradient de fréquence, et comme cela sera démontré au chapitre suivant, seule compte la surface du signal. On obtient le même effet avec un signal long de faible amplitude ou un signal court d’amplitude élevée. La limite est technologique en ceci qu’il faut pouvoir commuter en un temps très court les courants nécessaires aux bobines de gradient. Par ailleurs le signal d’écho ne doit pas être trop étroit, car il faut pouvoir l’échantillonner autant de fois qu’il y a de pixels dans une ligne d’image. Tout de même, une mesure one shot en écho de gradient peut aujourd’hui descendre au niveau du dixième de seconde.

 


[1] Quand les différences de phase entre protons sont faibles leurs sinusoïdes se renforcent dans l’ensemble alors que, lorsque les déphasages sont importants, les sinusoïdes tendent à interférer négativement, ce qui réduit l’amplitude globale du signal.