Imagerie par Résonance Magnétique...

JM Rocchisani IRM 1

Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire

Dr J.M RocchisaniCHU de Bobigny, 93

2009-2010

(d'après I.Idy-Peretti, CNBMN, 2002)

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RéférencesMagnétismeProgramme d'Electro-Magnétisme de Terminale scientifique.A. Boussy, M.Davier,B.Gatty. Physique pour les sciences de la vie. Belin.J.Kane, M.Sterheim, Physique. InterEditions.

IRMI.Idy-Peretti, « IRM, du signal à l'image » Atelier CNBMN, 29 mars 2002. http://www.cnebmn.jussieu.fr/enseignement/ateliers/atelier_rmn.htm

A.Desgrez, J.Bittoun, I.Idy-Peretti, Bases Physiques de l'IRM. Cahier d'IRM, Masson.

André Aurengo, Thierry Petitclerc, F. Grémy. Biophysique . Flammarion médecine sciences.

B.Kastler, D.Vetter, A.Gangi. Principes de l'IRM, manuel d'auto-apprentissage. Masson, collection d'imagerie Radiologique.

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Références

WWW

http://yhspatriot.yorktown.arlington.k12.va.us/~ckaldahl/Links/MRI_links_mod.html

http://www.rdgn.ucl.ac.be/fr/animations_IRM.htm

http://www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/

http://www.e-mri.org/fr/index.html

http://www.e-mri.org/fr/signal-contraste/impulsion-RF-180.htmlhttp://www.e-mri.org/fr/signal-contrast/mri-contrast.html

http://www.mritutor.org/mritutor/pulseseq.htm

http://yhspatriot.yorktown.arlington.k12.va.us/~ckaldahl/Links/MRI_links_mod.html

http://www.rdgn.ucl.ac.be/fr/animations_IRM.htm

http://www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/

http://www.e-mri.org/fr/index.html

http://www.e-mri.org/fr/signal-contraste/impulsion-RF-180.html

http://www.e-mri.org/fr/signal-contrast/mri-contrast.html

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planIntroduction

Rappel de MagnétismeLe magnétisme des noyauxL'expérience de RMN

Les paramètres du contraste

La formation de l'image

Applications

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vocabulaire

RMNRésonance

Magnétique

Nucléaire (= du noyau)

IRMImagerie par

Résonance

Magnétique

(nucléaire)

NMRNuclear

Magnetic

Resonance

MRI(nuclear)

Magnetic

Resonance

Imaging

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Historique

Bloch et Purcell (1946) : découverte de la RMN 1ères applications : spectroscopie par RMN

(chimie, biochimie)Nobel Physique 1952

Damadian (1971) : Différentiation tissu sain / tissu cancéreux

Lauterbur et Mansfield (1973) : 1ère image 1980 : 1ères images médicales: tête et abdomen

Introduction

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qualité des images (contraste, résolution) images tomographiques d'orientation quelconque

images riches : 3 paramètres physiques caractérisent l'intensité d'un voxel

informations sur la composition biologique des tissus, principalement des tissus mous

image anatomique, image fonctionnelle dans certaines conditions

inoccuité (magnétisme, absence d'irradiation )

Intérêts de l’IRMIntroduction

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Exemple: SNC: cerveau et moelleIntroduction

Images pondérées en T1 Images pondérées en densité

Images pondérées en T2

JM Rocchisani IRM 9

Exemple: Abdomen

T1, T2, T1+Gadocoronal

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Exemple: articulations

Imagerie par Résonance Magnétique

Articulations


Exemple: coeur

Imagerie par Résonance Magnétique cardiaque

4 cavitéscoronal


Exemple: vaisseaux

Imagerie par Résonance Magnétique vasculaire

Vaisseaux de la base du crâne


Exemple: autres: applications fonctionnelles

IRM Diffusion

Spectrométrie

IRMf (Activation)

IRM Perfusion


imageur IRM


Introduction

Aimant


d'où des limites de l'IRM

action des aimants sur le corps humain?? effet biologique?? prothèses métalliques

claustrophobieGrosse obésité...


plan

IntroductionRappel de MagnétismeLe magnétisme des noyauxL'expérience de RMNLes paramètres du contrasteLa formation de l'imageapplications

Magnétisme (Rappel) | magnétisme nucléaire| Expérience de RMN| contraste


Rappel de magnétisme


Rappel de magnétisme

Trois notions seront utiles:– Champ magnétique– Moment magnétique– Induction magnétique


Notion de Champ magnétiqueAimantsExemple: aiguille d'une boussole, la TerreOrienté: pôle Nord + pôle Sud

Exercent des forces d'attraction ou de répulsion sur d'autres aimants , ou sur des objets métalliques

Un courant électriqueCharges en mouvement exercent des forces sur un aimant et réciproquement

Ces forces dérivent d'un "champ"

Magnétisme (Rappel) | magnétisme nucléaire| Expérience de RMN| contraste | image

Champ magnétique | Moment magnétique | Induction magnétique


Champ magnétique

Un Aimant ou une charge en mouvement produit un champ magnétique B (encore appelé induction magnétique)

Ce champ magnétique exerce alors une force sur un aimant ou une charge en mouvement

Le champ magnétique:Possède une grandeur (intensité du champ) Et une direction (grandeur orientée)Est variable dans l'espaceReprésenté par un vecteur champ magnétique

Unité de Champ magnétique= le Tesla(anciennement le Gauss, 10'000G=1T)

B



NB:Les vecteurs seront écrits soit avec une flèche, soit en gras


-

Notion de Champ magnétique

Unités de champ magnétique:Le Tesla(Le Gauss :ancienne unité, 1 Gauss = 10 - 4 Tesla)

Exempleschamp magnétique terrestre Bterrestre = 0,000 05 T = 0,5 G

Champ d'un Imageur IRM = 1,5 T = 30 000 Bterrestre

Remarquesattraction des objets métalliques⇒Contre Indicationsclefs, ciseaux, …Isolation magnétique par rapport aux rayonnements électromagnétiques extérieurs⇒Contre Indicationspace-maker


Champ magnétique

caractérisation: • Ligne de force d'un champ magnétique

– Ligne tangente au vecteur B– Visualisation des lignes de force:

• Avec l'orientation d'un petit aimant• Ou de la limaille de fer

– Par convention, les lignes de force sont orientées , à l'extérieur d'un aimant, du pôle nord vers le pôle sud


Exemple de Lignes de force : barreau aimanté, terre

Barreau aimanté Terre




Exemple de Lignes de force : champ généré par une bobine parcourue par un courant électrique


Champ magnétique

propriété: Force magnétique Force crée par un champ magnétique B sur une charge en mouvement (force de Laplace)Dépend de La charge qLa vitesse v de la charge qDu champ B

( désigne le produit vectoriel de2 vecteurs)

F =q v×B

F=∣F∣=q .v .B .sin θ




Moment magnétique

Force magnétique exercée sur un fil parcouru par un courant électrique I

I variation de charge au cours du tempsinstantanée: I= dq/dten moyenne: I= q/t

q=I .t=I . lv

F=∣F∣=q .v .B .sin θ

F=I .l . B .sin θ




Moment magnétique

cas d'une boucle de courantValeur du couple Γ



S=a .b surface de la bouclen vecteur unitaire normal au plan de la boucle∣n∣=1n×B=B .sin θ

Γ=r . FF=I . b .B . sin θ Γ=a . I .b . B .sin θ Γ=a . b . I . B . sin θ Γ= I .S . n ×B


Moment magnétique

cas d'une boucle de courant une boucle de courant est soumise à un couple de forces magnétiques

Elle se comporte comme une paire de charge(+q, -q), c'est un dipôle magnétique.




Moment magnétique

Définition du moment magnétique dipolaireOn considère le couple d’un dipôle magnétique (= boucle de courant)

On définit le moment magnétique comme la quantité caractérisant le dipôle

μ moment magnétique Γ=μ×B

μ=I .S .nμ=∣μ∣=I .S .sin n,B



Γ= I .S .n × B


cas d'une charge (q,m) en rotation uniforme sur une orbite fermée: Moment magnétique:

lien avec le moment cinétique (rotation)v vitesse linéaireMoment cinétique:

On montre que:

μ= q2m

L

μ=γ . Lγ= rapport gyromagnétiquecaractéristique de la particule



μ=I .S

L=r .mv

Moment magnétique


Moment magnétique: propriété

Précession d'un moment magnétique dans un champ magnétique B Le moment magnétique tourne autour de l'axe de B avec une vitesse angulaire constante qui dépend

de B et des caractéristiques du moment

Relations de LARMOR +++

donc si B varie, alors et f varient +++

d μ

μ

μ+d μ

B



vitesse angulaire := . B

fréquence de rotation f =

2

f =

2 . B


Autres exemples de Précession

En mécanique:Précession d’une toupie en

rotation (moment cinétique ) dans le champ de gravitation terrestre G

Précession des équinoxesDécouverte par HIPPARQUE

de Nicée vers 130 avant JC !



G


Induction magnétique

Flux magnétiqueOn considère des lignes de force d'un champ passant par une surface d'aire A

Le flux est

Unité = weber1 weber= 1tesla/m2

?? Que se passe-t-il si on modifie l'angle(B, A)

Φ=A .B .cosθ =A . Bn





Loi de LenzOn considère une boucle de fil interceptant des lignes de force d'un champ magétique généré par une bobine

La variation de flux génére une force électromotrice V, dite d'induction, dans la boucle

D'où un courant électrique induit ++ , R=résistance de la boucle



V=−dΦdt

volts

On bouge la boucle de fil , Il apparaît/disparaît un voltage

i=VR



Applications: Générateur électrique, dynamoMoteur électrique



Applications: dynamo, Moteur électrique

demo: http://sti.ac-orleans-tours.fr/spip/article.php3?id_article=383



Exercice: Une petite aiguille de boussole est mise en rotation par un moteur, à la

fréquence f. Un circuit de réception reçoit le flux créé par l'aiguille de la boussole et est relié à un voltmètre.

Comment varie le voltage mesuré si :- on double la fréquence de rotation- on double la distance entre aiguille de boussole et circuit de

reception.- si l'aiguille fait un angle de 30° avec l'axe de rotation.

On sait que: le champ magnétique b créé par l'aiguille d'aimantation M est

proportionnel à M.(1/r3)le Flux induit est : Φ= ∫ b.dS = b.S .le voltage mesuré est v = - dΦ /dt proportionnel à 2πf.b.S sin(2π.f.t) .


Magnétisme

Autres Applications (& effets indésirables)aimant de couturière, bandes magnétiques, carte bleue, ....

magnétisation, mais aussi démagnétisation


plan



Le Magnétisme nucléaire

Origine du magnétisme de la matièremagnétisme des noyauxquantification du moment magnétiquemoment magnétique macroscopique

Magnétisme | Magnétisme Nucléaire| l'Expérience RMN| le Signal RMN | L'image

Magnétisme de la matière | Sortes de Magnétisme


Origine du magnétisme de la matière

Lorsqu'un corps est placé au voisinage d'un circuit parcouru par un courant produisant un champ magnétique induit B, il acquiert les propriétés d'un aimant : il est le siège d'une aimantation induite.

Lorsqu'on coupe le courant dans le circuit, ces propriétés cessent sauf s'il peut exister une aimantation rémanente (acier…).

De même, Les particules nucléaires possèdent un moment magnétique nucléaire μ




Origine du magnétisme de la matière

moment magnétique nucléaire μ (microscopique). On assimile la rotation des particules nucléaires ("spin") à une boucle de courant ⇒ moment magnétique élémentaire

Apparaît si le noyau est plongé dans un champ magnétique

(Le moment magnétique du noyau est la somme vectorielle des moments élémentaires de chaque nucléon)




magnétisme des noyaux

Aimantation microscopiqueQuantification d'un moment magnétique nucléaire μ

plongé dans un champ B. Le moment magnétique fait un angle fixe avec l'axe de B

2 positions d'équilibre possible:Dans le sens de B (parallèle = "+" = "up")Dans le sens opposé (anti-parallèle = "-"= "down)

D'où 2 états énergétiques possibles



μB

μ−



2 états énergétiques possibles“Parallèle”

“anti-Parallèle”

Écart d’énergie:

Dépend de Best faible, de la valeur de l’énergie d’une onde radio

ΔE=γ h2π

B

μ−

B μ



E+=−12

γ h2π

B

E−=+ 12

γ h2π

B



2 états énergétiques possibles


magnétisme de la matière

Moment macroscopique d'une population de noyauxLes (vecteurs) moments élémentaires

Ont même moduleSont diffèrents par leur orientation

Le Moment macroscopique résultant est la somme vectorielle des moments élémentaires

exemple

M=∑ μ

M≠0

μ2

μ1

M =0∣μ

1∣=∣μ

2∣

M =μ1μ

2

μ2


Aimantations longitudinale et transversaleChaque moment subit une Précession autour de la direction de BLa direction de B donne l'orientation longitudinale Le plan orthogonal à B donne l'orientation transversale

B

"cercle de précession"µ

1noyauOn peut décomposer le vecteur en composante longitudinale Z

et composante transversale T

µz

T

μ=μZμT


Aimantations longitudinale et transversale

1 moment, 2 états (+, -)

B

cône de précession"µ

La composante µz change de sensLa composante T ne change pas

µz

T

μ=μZμT

-z

T

-

+

+z



Précession Pour une population de moments d'un petit volume:aimantation macroscopique

M Z=∑ μZ∑μZ

−

MT=∑μT

μZ−

μZ

MT

M Z

μT

aimantation transverse

aimantation longitudinale

B0

µµ

0

0



Moment macroscopique d'une Population de noyau :

L'espace est orienté par B

Le vecteur aimantation Macroscopique

M peut être décomposé en 2

composantes:L'une le long de B :

Mz = "aimantation longitudinale"L'autre orthogonale à B: Mxy =M

T = "aimantation

transverse"

MM z

Mxy

B

x

y

Le plan (x,y) sera aussi appelé lePlan de mesure en RMN


Notion de phase

Le spins tournent à la vitesse angulaire 0

la phase d'une population de spins est la position relative des spins dans le mouvement de précession

MT

B0

µ−

µ+

Seules les projections des spins sur le plan Transverse sont à considérer

MT

DéphasageLes spins s'écartent

RephasageLes spins se regroupent

MT=∑μT≠0

0

0

M T=∑T 0


Notion de phase

Représentation de la phase

B0

µ

µ

MT=∑μT0

MT

M Z

microscopique macroscopique

aimantationtransversenon nulle

MT=∑μT0

MT

M Z

l'aimantation transverses'annulle

déphasage rephasage


Les différentes sortes de magnétisme

Le diamagnétismeCorps non magnétiques (eau, alcool,…)

Le paramagnétismeCorps Faiblement magnétique

FerromagnétismeC'est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très fortement sous

l'effet d'un champ magnétique extérieur, et pour certains (matériaux magnétiques durs) de garder une aimantation

importante même après la disparition du champ extérieur. (Fer, Cobalt et Nickel )

Superpara magnétiqueNe présente de magnétisme qu'en présence d'un champ magnétiqueFort magnétisme


Les descriptions des phénomènes

description vectorielle

description quantiqueE2

E1

magnétisme de la matière (résumé)

x

y

z


plan


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