Intensité du signal IRM et relaxation tissulaire

L'imagerie par résonance magnétique tire son contraste non pas d'une seule valeur de densité, mais de la manière dont les noyaux d'hydrogène des tissus retournent à l'équilibre après une impulsion de radiofréquence. Deux temps caractéristiques — T1 (relaxation longitudinale) et T2 (relaxation transversale) — ainsi que la densité de protons, déterminent si un tissu apparaît clair ou sombre, et ils diffèrent suffisamment entre les tissus pour conférer à l'IRM son riche contraste des tissus mous.

Definition

L'intensité du signal IRM est l'amplitude du signal de radiofréquence émis par les noyaux d'hydrogène tissulaires lorsqu'ils se relaxent après excitation ; elle est régie par la densité de protons et par les temps de relaxation longitudinale (T1) et transversale (T2) spécifiques aux tissus, la pondération de l'image étant déterminée par le timing d'acquisition.

Scope

Ce sujet explique l'origine physique de l'intensité du signal IRM : la densité de protons, la relaxation T1 et T2, et comment la pondération de la séquence sélectionne la propriété qui domine l'image. Il aborde également la manière dont les agents paramagnétiques à base de gadolinium raccourcissent les temps de relaxation pour améliorer le signal. Il s'agit d'un exposé de référence sur les raisons pour lesquelles les tissus diffèrent en signal IRM, et non d'un guide sur la prescription de séquences ou l'administration de contraste.

Core questions

• Quel processus physique génère le signal RM des tissus ?
• En quoi la relaxation T1 et T2 diffèrent-elles, et qu'est-ce qui contrôle chacune d'elles ?
• Pourquoi le même tissu apparaît-il clair sur une séquence et sombre sur une autre ?
• Comment les agents de contraste à base de gadolinium modifient-ils le signal tissulaire ?
• Pourquoi les fluides, les graisses et les tissus solides présentent-ils des schémas de signal caractéristiques ?

Key concepts

• Densité de protons (de spin)
• Relaxation longitudinale T1
• Relaxation transversale T2
• Pondération de séquence (pondérée en T1, en T2 et en densité de protons)
• Agents de contraste à base de gadolinium
• Relaxivité

Key theories

Théorie de la relaxation en résonance magnétique nucléaire (théorie BPP)

Bloembergen, Purcell et Pound ont décrit comment le mouvement moléculaire module l'environnement magnétique des noyaux et régit ainsi les vitesses de relaxation longitudinale et transversale, fournissant la base physique expliquant pourquoi T1 et T2 diffèrent entre les tissus.

Mechanisms

Placés dans un champ magnétique intense, les noyaux d'hydrogène s'alignent et peuvent être basculés par une impulsion de radiofréquence ; à mesure qu'ils se réalignent, la magnétisation longitudinale récupère avec une constante de temps T1 tandis que la magnétisation transversale décroît avec une constante de temps T2. Les vitesses dépendent de la manière dont le mouvement moléculaire module les champs magnétiques locaux, comme décrit par Bloembergen, Purcell et Pound, de sorte que les tissus ayant une liaison à l'eau et un contenu macromoléculaire différents présentent des temps de relaxation distincts. En choisissant le timing de l'excitation et de la lecture du signal, une acquisition peut être pondérée en T1, en T2 ou en densité de protons. Les chélates de gadolinium paramagnétiques créent des champs locaux fluctuants qui raccourcissent le T1 (et le T2) à proximité, éclaircissant les tissus rehaussés sur les images pondérées en T1 ; l'efficacité de cet effet est la relaxivité de l'agent, examinée par Caravan et ses collaborateurs.

Clinical relevance

Le contraste basé sur la relaxation permet à l'IRM de différencier des tissus qui apparaissent similaires sur d'autres modalités, ce qui est essentiel pour l'interprétation de l'anatomie des tissus mous. Cette entrée décrit la base physique du signal RM et ne constitue pas une base pour la sélection de séquences, d'agents ou de doses pour des patients individuels.

Evidence & guidelines

La physique de la relaxation repose sur l'analyse fondamentale de Bloembergen-Purcell-Pound et sur la démonstration de la formation d'images RMN par Lauterbur, les différences tissulaires pertinentes pour le contraste ayant été mises en évidence pour la première fois par Damadian. La chimie et le comportement des agents de gadolinium sont consolidés dans les travaux de Caravan et ses collaborateurs, et la physique de l'imagerie dans des textes tels que ceux de Bushberg et ses collaborateurs.

History

Le comportement de relaxation sous-jacent au contraste RM a été caractérisé en 1948 par Bloembergen, Purcell et Pound. Le rapport de Damadian en 1971, selon lequel les temps de relaxation différaient entre les tissus, a suggéré une utilisation diagnostique, et la méthode de codage spatial de Lauterbur en 1973 a transformé la RMN en une technique d'imagerie. Les chélates de gadolinium, examinés de manière exhaustive en 1999, ont ensuite fourni un moyen contrôlable de manipuler la relaxation tissulaire et, par conséquent, le signal.

Key figures

• Paul Lauterbur
• Nicolaas Bloembergen
• Edward Purcell
• Raymond Damadian

Seminal works

• bloembergen-1948
• lauterbur-1973
• damadian-1971

Frequently asked questions

Quelle est la différence entre la relaxation T1 et T2 ?

Le T1 décrit la vitesse à laquelle la magnétisation longitudinale récupère le long du champ principal, tandis que le T2 décrit la vitesse à laquelle la magnétisation transversale décroît ; les deux découlent d'aspects différents de la manière dont le mouvement moléculaire perturbe les noyaux, de sorte qu'ils varient indépendamment entre les tissus.

Pourquoi le fluide apparaît-il clair sur une image pondérée en T2 mais sombre sur une image pondérée en T1 ?

Le fluide a des temps de relaxation T1 et T2 longs, il donne donc un signal faible là où les différences de T1 dominent l'image et un signal élevé là où les différences de T2 dominent.

Comment le contraste au gadolinium éclaircit-il les tissus ?

Le gadolinium est paramagnétique et crée des champs magnétiques locaux fluctuants qui raccourcissent le T1 des protons d'eau voisins, augmentant le signal sur les images pondérées en T1 là où l'agent s'accumule.