Les paramètres tissulaires auxquels on a accès en imagerie par
résonance magnétique (IRM) pour l’étude anatomique et la
caractérisation tissulaire sont le T1, le T2 et la densité protonique
(q).
En séquence en écho de spin, deux paramètres instrumentaux,
le temps de répétition (TR) et le temps d’écho (TE), vont permettre
d’accéder à ces trois paramètres tissulaires.
Le TR va permettre
d’agir sur le niveau de repousse en T1 du signal et le TE sur sa
décroissance en T2.
Ainsi, c’est par un choix adéquat du TR et du
TE que l’on influence le contraste de l’image.
On dit pondérer
l’image en T1, T2 ou densité de protons pour obtenir au final trois
types d’images : l’image pondérée en T1, en T2 et en densité
protonique.
Rappels sur la séquence de base
en imagerie par résonance magnétique :
La séquence en écho de spin comporte un double cycle élémentaire :
– le cycle qui concerne le signal (recueil du signal, traitement du
signal), que l’on va transformer en images de type T1, T2 et densité
protonique ; ce cycle commence par une impulsion de 90° pour créer
de l’aimantation transversale (Mxy) ou aimantation transversale
maximale (MTm), là où on peut la mesurer (plan transversal), suivie
d’une impulsion de 180° au bout du temps TE/2 pour s’affranchir
des inhomogénéités d’origine instrumentale de Bo ; on mesure le
signal au TE, qui correspond aussi au temps de mesure, c’est-à-dire
le temps au bout duquel on réceptionne le signal; le vecteur
d’aimantation mesuré MT’m étant légèrement plus petit que MTm
en raison de la relaxation T2 ;
– une fois le signal recueilli, il va falloir réaliser une image (pixels)
sur l’écran d’affichage, fidèle aux données du plan de coupe (voxels)
sur le patient ; à ce cycle signal se rajoute donc un deuxième cycle
de codage spatial qui va faire appel à trois gradients : un gradient
de sélection de coupe (Gsc), un gradient de codage par la phase
(Gp), qui va coder les lignes de la matrice, et un gradient de codage
de fréquence (Gf) qui va permettre de coder les colonnes de la
matrice ; ce cycle de codage spatial stocke les données brutes dans
un plan de Fourier où l’acquisition se fait ligne par ligne ;
– à chaque cycle, signal et codage spatial, une ligne du plan de
Fourier est acquise ; il faut répéter le cycle, signal 90°-180°, et les
trois gradients à chaque TR pour remplir une ligne supplémentaire
du plan de Fourier ; l’image définitive est obtenue à partir du plan
de Fourier, par une double transformée de Fourier dans les deux
directions.
La répétition de ce cycle, étape obligatoire pour la formation de
l’image en IRM, apporte des contraintes en termes de durée
d’acquisition et de contraste de l’image que nous allons maintenant
envisager.
Répétition du cycle signal
:
La séquence en écho de spin commence par une impulsion de 90°
qui entraîne une annulation de l’aimantation longitudinale (ML)
transformée en aimantation transversale (MT) (module de ML égal
au module de MT).
L’aimantation basculée initialement donnant un
« grand » vecteur transversal maximal (MTm) à partir duquel le
signal va décroître.
Dès la fin de l’impulsion de 90°, il y a d’une part
une repousse de l’aimantation longitudinale en T1 et d’autre part
une décroissance de l’aimantation transversale en T2 (T2* en fait).
On accède au T2 si on rajoute, en écho de spin, une
impulsion de 180° au temps TE/2 ; le signal récolté sous forme
d’écho au temps TE (temps d’écho) va ainsi contribuer à former la
première ligne du plan de Fourier.
Pour obtenir les lignes suivantes
de ce plan de Fourier, au bout du temps TR (temps de répétition), il
va falloir répéter le cycle, avec de nouveau une impulsion de 90° (sans oublier celle de 180° et les trois gradients... le gradient de
codage de phase permettant de passer à la ligne suivante).
De
nouveau, il y a repousse de l’aimantation longitudinale et
décroissance de l’aimantation transversale.
À chaque ligne, il y a
simultanément repousse de l’aimantation longitudinale et
décroissance de l’aimantation transversale… et ainsi de suite jusqu’à
la dernière ligne du plan de Fourier.
La combinaison des deux phénomènes de repousse-décroissance, qui
a lieu à chaque acquisition d’une ligne, est en fait peu
« lisible ».
Pour en faciliter la compréhension, remarquons que, d’un
cycle à l’autre, les phénomènes sont identiques : le niveau de
repousse de l’aimantation longitudinale en T1 dans un cycle
correspond au niveau de décroissance de l’aimantation transversale
en T2 dans le cycle suivant (après l’impulsion de 90°).
Quand
on a décrit, de cette façon, la courbe de repousse dans un cycle et de
décroissance dans le cycle suivant, toute la succession des
phénomènes (repousse puis décroissance), qui se répète d’une ligne
à la suivante, est également défini.
Envisageons maintenant le rôle que jouent les deux paramètres
opérateurs dépendants, le TE et le TR, dans la modulation du
contraste en T1, T2 et en densité protonique de l’image.
Quelle est l’influence du temps
de répétition sur le signal ?
Pour essayer de comprendre quelle est l’influence du TR sur la
repousse de l’aimantation longitudinale, nous allons prendre deux
cas de figure :
– un premier où le TR est relativement long, c’est-à-dire 2 secondes,
soit environ trois fois le T1 pour la substance cérébrale,
correspondant à une repousse d’environ 95 % (à 1,5 tesla, le
T1 de la substance blanche et celui de la substance grise sont
respectivement de 500 et 750 millisecondes) ;
– un deuxième cas où le TR est court (0,5 seconde, par exemple),
soit légèrement inférieur au T1 de la substance cérébrale, ce qui va
permettre à l’aimantation de la substance cérébrale de repousser
d’environ 50 % (repousse de 63 % si TR égale T1).
Comparons ce qui se passe dans ces deux cas :
– si le TR est long (2 secondes), il y a une repousse quasi totale
(95 %) de l’aimantation longitudinale qui, par l’impulsion de 90°, va
se transformer en aimantation transversale, de module également
élevé au départ ;
– en revanche, si le TR est court (0,5 seconde), la repousse n’est que
de 50 %, ce qui diminue d’autant le module du vecteur qui va
décroître en transversal.
Selon que le TR est choisi long ou court, la repousse de l’aimantation
longitudinale au cours de chaque cycle est plus ou moins
importante.
Première déduction : le TR module la repousse en T1 du signal (TR
court : repousse faible ; TR long : repousse importante).
Le TR peut
donc également être considéré comme le « temps de repousse » (de
l’aimantation longitudinale).
Intéressons-nous maintenant à l’influence du TR sur deux tissus
dont les T1 sont différents. Prenons deux tissus dont les T1 sont
respectivement court et long.
Si on regarde l’influence que va
avoir un TR long et un TR court sur la repousse de ces deux tissus,
on s’aperçoit que :
– quand le TR est long (environ 2 secondes), il y a une repousse
quasi complète des deux aimantations longitudinales et on ne peut
plus les différencier (les courbes sont confondues) ;
– si on raccourcit le TR (0,5 s) (TR étant de l’ordre du T1, voire un
peu plus court), on sépare bien les deux tissus lors de la repousse ;
celui qui a le T1 court est bien au-dessus de celui qui a le T1 long
(30 % de différence environ dans ce cas), d’où un bon contraste en T1.
Deuxième déduction : le TR module le contraste en T1.
Quand le TR
est long, on détruit le contraste en T1 (pas de contraste en T1) et
quand le TR est court, au contraire, on favorise le contraste en T1,
on a un fort contraste en T1.
Si on résume l’influence du TR sur le signal :
– le TR, temps de repousse, conditionne la repousse en T1 de
l’aimantation longitudinale ;
– TR court égal pondération en T1 ;
– TR long égal « dépondération » en T1.
Quelle est l’influence du temps d’écho
sur le signal ?
Le TE (deuxième paramètre instrumental) est le temps qui sépare
l’impulsion de 90° de la lecture du signal au niveau de l’écho ; il
correspond au moment au bout duquel on mesure le signal.
L’impulsion de 180° est appliquée au temps TE/2, provoquant un rephasage des déphasages liés aux inhomogénéités du champ Bo.
On réalise la mesure lorsque le signal est maximal au moment de
l’écho (c’est-à-dire au bout de 2 TE/2, = TE).
Donc, le TE est
le temps de mesure ou d’échantillonnage du signal (moment auquel
on mesure le signal TE et non pas durée d’échantillonnage).
Intéressons-nous maintenant à la décroissance en T2 du signal des
mêmes tissus que précédemment.
L’un, celui qui avait un T1 court,
a un T2 court et décroît rapidement en T2 (un tissu à T1 court a
généralement un T2 court et, réciproquement, un tissu à T1 long a
généralement un T2 long, sauf la graisse qui a un T1 très court et un
T2 intermédiaire).
Au contraire, l’autre, tissus qui avait un T1 long,
a un T2 long et décroît donc lentement.
Avant d’étudier l’influence
du TE, il est logique d’utiliser un TR relativement long pour que la
repousse soit relativement complète et que par conséquent, le niveau
de décroissance au départ soit proche (annulant ainsi les différences
dues à la repousse en T1).
On réalise des mesures soit à TE précoce, soit à TE tardif :
– si on fait des mesures avec un TE très court, on sépare très mal
ces deux courbes et on ne peut pas différencier les tissus ;
– si, en revanche, on fait des mesures avec un TE relativement long,
on va bien séparer ces deux courbes de décroissance en T2 ; le tissu
qui a le T2 long est bien au-dessus de celui qui a le T2 court (de 300
à 400 % de différence entre les courbes), d’où un bon contraste en
T2.
Déduction : le TE conditionne la pondération T2 d’une séquence.
Plus on allonge le TE, plus la séquence est pondérée en T2 ; plus on
raccourcit le TE, plus la séquence est « dépondérée » en T2.
Si on
réalise plusieurs mesures (échos), la pondération en T2 de la
séquence va augmenter au fur et à mesure des échos successifs, les
échos tardifs ayant une pondération T2 de plus en plus forte.
Si on résume l’influence du TR et l’influence du TE, on voit que :
– le T1 est lié au TR, le T2 est lié au TE ;
– le T1 et le T2 sont des paramètres tissulaires non opérateursdépendants
qu’on ne peut pas modifier (ils sont liés à des propriétés
intrinsèques du tissu) ;
– le TR et le TE sont des paramètres instrumentaux opérateursdépendants
qui, pour le premier, conditionne la pondération en T1
et, pour le deuxième, la pondération en T2 ; en jouant donc sur le
TR et le TE, on va pouvoir obtenir une image plus ou moins
pondérée ou dépendante en T1 ou en T2.
Quels sont les impératifs
d’une séquence pondérée en T1 ?
Si on applique ce qu’on vient d’apprendre, il faut utiliser un TR
court pour obtenir une séquence pondérée en T1.
Il faut également
utiliser un TE le plus court possible pour ne pas avoir de
pondération en T2.
En fait, comme on ne peut pas faire une
mesure directe des aimantations qui repoussent en T1 (à cause de Bo qui est très intense par rapport à l’aimantation Mz), on laisse
repousser les tissus, on bascule et on mesure le plus rapidement
possible avec un TE le plus court possible.
En séquence en écho de
spin, on a cependant la contrainte d’attendre deux fois le temps au
bout duquel on a appliqué l’impulsion de 180° (TE/2) et on ne peut
donc pas faire de TE très court (l’idéal serait de faire des mesures
tout de suite, à TE nul).
Le TE minimal étant d’environ 15 ms, il y a
ainsi toujours une faible part de pondération T2 qui vient se rajouter
à la pondération T1 en écho de spin.
Remarquons tout de suite que la séquence en T1 est une séquence
courte.
Pourquoi ?
Parce que le TR étant court, on passe rapidement
d’une ligne sur l’autre du plan de Fourier ; cela veut donc dire que
la durée globale de la séquence va être courte (quand le TR est
quatre fois plus petit, on va quatre fois plus vite ; entre un TR à 2
secondes et un TR à 500 millisecondes, on a un facteur 4 en durée
d’acquisition).
La séquence en T1 est une séquence courte et tous les paramètres opérateurs-dépendants sont courts : le TR est court pour faire du T1
et le TE est court pour ne pas faire du T2.
Quels sont les impératifs
d’une séquence pondérée en T2 ?
Pour réaliser une séquence pondérée en T2, il faut avant tout utiliser
un TE long, de l’ordre de 120 millisecondes, pour obtenir du
contraste en T2, et par ailleurs un TR long pour ne pas faire du T1.
Ici, contrairement à la séquence en T1, pour obtenir en écho
de spin une pondération quasi exclusive en T2, il suffit d’allonger
suffisamment le TR, pour détruire la contribution T1 (ce qui
allongera cependant d’autant le temps d’acquisition).
Remarquons ici, également, que la séquence en T2 est une séquence
longue : dans la séquence en T1, on avait un TR de l’ordre de 0,5 seconde ; en revanche, dans la séquence en T2, on a un TR de
l’ordre de 2 secondes (elle dure quatre fois plus longtemps).
La séquence en T2 est une séquence longue et tous les paramètres opérateurs-dépendants sont longs : le TE est long pour faire du T2
et le TR est long pour ne pas faire du T1.
Comment obtient-on une séquence
pondérée en densité de protons ?
La densité protonique correspond aux valeurs des vecteurs
d’aimantation à l’état d’équilibre.
Un contraste en densité protonique
est obtenu avec un TR long et un TE court, c’est-à-dire que la
séquence n’est pondérée ni en T1 ni en T2.
Cela va permettre
d’exprimer les différences des vecteurs à l’état d’équilibre.
En effet,
par un TR long, on laisse entièrement repousser les vecteurs
d’aimantation jusqu’à l’état d’équilibre qui exprime la densité
protonique.
Comme on ne peut mesurer directement les vecteurs à
l’équilibre (à cause du grand champ Bo), après bascule à 90°, on
réalise une mesure immédiate avec un TE court donnant ainsi
indirectement accès à la densité protonique.
Notion de contraste en imagerie
par résonance magnétique :
On peut expliquer, de manière schématique, cette notion de contraste
en IRM en prenant l’exemple de trois personnages (représentant des
protons) qui projettent de gravir une montagne.
La montée de la
montagne sera le T1 (relativement long) et la descente de la
montagne sera le T2 (en chaussant des skis : plus rapide).
Le soleil
représente le signal (plus on est près du soleil, plus on a de signal).
Prenons un proton sportif (R, comme rapide substance blanche),
un moins sportif (M, comme moyen substance grise) et un troisième
paresseux (L, comme lent liquide LCR).
Lors de l’ascension (T1), le proton sportif (R) est le plus rapide.
Le
deuxième (M), moins sportif, progresse moins rapidement et le
paresseux (L) est distancé.
Si un photographe veut immortaliser l’événement, il peut faire son
cliché pendant l’ascension (TR court adapté à la vitesse de montée)...
et ainsi bien mettre en évidence la différence de performance des
trois protagonistes (contraste T1 : le plus sportif, R, est plus près du
soleil : le plus de signal, blanc ; le moins sportif, L : le moins de
signal, noir ; le troisième, M, a un signal intermédiaire gris).
Si le photographe tarde à faire la photo (TR long), les trois auront
atteint le sommet, verront le même soleil... et il ne sera plus possible
de les différencier (d’après leur T1).
Si l’on veut comparer la vitesse de descente de nos trois protons
montagnards (T2), on commence par attendre qu’ils soient tous les
trois au sommet de la montagne pour qu’il n’y ait pas d’influence
de l’ascension, c’est-à-dire du T1.
Puis, après qu’ils aient chaussé leurs skis, on leur donne le signal de
départ.
Si l’on fait la photo trop tôt, c’est-à-dire pour un TE court, leur
différence de vitesse n’aura pas eu le temps de creuser un écart
suffisant pour les départager.
Si l’on attend suffisamment longtemps avant de faire la photo, c’est-à-dire pour un TE long, les trois protons sont facilement départagés
(contraste T2 : cette fois le moins sportif, L, est plus près du soleil :
le plus de signal, gris clair ; le plus sportif, R, : le moins de signal,
noir ; le troisième, M, a un signal intermédiaire, gris foncé).
Un troisième paramètre est accessible pour mettre en évidence un
contraste entre deux tissus : c’est la densité protonique.
La taille, ou module du vecteur d’aimantation longitudinal est
directement proportionnelle à la quantité de protons disponibles
dans le tissu considéré.
L’estimation de la hauteur du vecteur d’aimantation longitudinal va
donc permettre de différencier les tissus sur la base de leur
différence en densité protonique.
Pour accéder à cette valeur, il nous faut donc disposer, pour les
tissus étudiés, du signal à l’état d’équilibre, obtenu avec un TR long.
La mesure de la valeur doit être réalisée en appliquant un TE où
intervient le moins possible le déphasage en T2, c’est-à-dire un TE
court.
Comment vont alors se comporter nos grimpeurs ? Le contraste en
densité protonique consisterait à les laisser monter avec un TR long
pour qu’il n’y ait pas d’influence du T1 (nous ne prenons que deux
personnages pour illustrer cet exemple) ; s’ils montent sur la même
montagne, ils ont la même densité protonique ; s’ils montent sur
deux montagnes de hauteurs différentes, ils ne voient pas le même
soleil et il y a une différence de densité protonique.
Le proton q1 est
arrivé sur une montagne plus haute que q2, ce qui correspond à une
densité protonique plus élevée.
Évidemment, pour conserver leur différence de hauteur, il faut faire
la photo rapidement pour que n’intervienne pas leur différence de
vitesse de descente (T2), c’est-à-dire avec un TE court (contraste q :
q1 est plus près du soleil, donc plus de signal, c’est-à-dire plus blanc
que q2).
Si on tarde à faire le cliché, on a de nouveau des clichés pondérés en
T2 (TR long et TE long).
Application au contraste du système
nerveux central :
Sur l’image pondérée en T1 (TR et TE courts) produite au cerveau, le
tissu dont le T1 est le plus court, en l’occurrence la substance
blanche (sportif), apparaît dans la nuance la plus claire, soit en blanc,
alors que le liquide céphalorachidien (LCR), dont le T1 est le plus
long, apparaît dans la nuance la plus sombre, en noir (paresseux).
La substance grise présente un signal intermédiaire : sur une image
pondérée en T1, la substance grise apparaît en gris.
La graisse (par
exemple graisse sous-cutanée) a le signal le plus élevé (très blanche),
car elle possède un T1 encore plus court que celui de la substance
blanche.
Le contraste est dit anatomique : la substance blanche apparaît
blanche, la substance grise, grise et le LCR noir.
Notons tout de suite que l’air (cavités aériques) et l’os cortical ne
contenant pas de protons, leur signal est noir sur toutes les
séquences.
L’image produite par une séquence pondérée en T2 au niveau cérébral
(TR et TE longs) montre un signal maximal pour les zones dont les
protons se déphasent le plus lentement (ici le LCR est blanc paresseux) et un signal minimal pour les zones dont les protons se
déphasent rapidement (ici la substance blanche est la plus foncée,
gris foncé sportif).
La substance grise présente un signal
intermédiaire, supérieur à la substance blanche : elle est gris clair
par rapport à la substance blanche.
Le contraste est le suivant : le LCR apparaît blanc, la substance
blanche gris foncé et la substance grise gris clair.
L’image produite par une séquence pondérée en densité protonique
au niveau cérébral (TR long et TE court) conserve le rapport de
contraste entre substances blanche et grise : la substance grise
(densité protonique supérieure) est plus claire que la substance
blanche.
Le LCR est plus foncé que la substance blanche et grise.
En
effet en séquence en écho de spin (non rapide), pour un TR de
2 secondes, le LCR n’a pas eu le temps de rejoindre son état
d’équilibre.
Sa courbe de repousse est interrompue.
Le contraste est le suivant : le LCR apparaît le plus foncé, la
substance blanche gris foncé et la substance grise gris clair.
Ainsi, dans une même séquence, après un TR long, l’utilisation au
premier écho d’un TE court permet d’avoir une image pondérée en
densité de protons, puis un deuxième écho, après un TE long,
permet d’obtenir une image pondérée en T2.
Cette
pondération supplémentaire a de nombreuses incidences pratiques,
notamment la détection de lésions périventriculaires (par exemple :
plaques de démyélinisation, lieu de prédilection).
En effet, celles-ci en hypersignal (blanc) ne se distinguent du LCR (et donc ne sont visibles)
que sur le premier écho pondéré en densité protonique où le LCR est
gris, alors qu’elles sont confondues avec le LCR sur le deuxième écho
pondéré en T2 où le LCR est, comme la plaque, en blanc.
Modification du contraste en pathologie
:
La plupart des phénomènes pathologiques allongent les temps de
relaxation (car ils s’accompagnent d’une inflation hydrique :
augmentation de l’eau libre à forte agitation moléculaire), comme c’est
le cas des tumeurs cérébrales.
Leur signal se modifie de façon univoque
en se « rapprochant » du signal du LCR (liquide), c’est-à-dire avec un
hyposignal en T1 et (surtout) un hypersignal en T2.
A - ANOMALIES PRODUISANT UN SIGNAL BLANC
AU LIEU DE NOIR EN T1
:
– Une composante graisseuse (lipome, kyste dermoïde).
– Un agent paramagnétique : une prise de gadolinium
(hypervascularisation tumorale), certains kystes colloïdes (cuivre,
cholestérol), métastase de mélanome (mélanine, radicaux libres),
hématome subaigu.
– Les vaisseaux qui traversent un plan de coupe en particulier en
écho de gradient (phénomène d’entrée de flux).
– Un liquide inflammatoire (présence de protéines).
B - ANOMALIES PRODUISANT UN SIGNAL NOIR
AU LIEU DE BLANC EN T2
:
