4: La séquence de base: séquence d’écho de spin

Chapitre 4 La séquence de base

séquence d’écho de spin

Nous venons de voir au chapitre précédent que le signal de FID observé est lié à la fois aux inhomogénéités de champ d’origine «moléculaire» () responsables de la décroissance «irréversible» de l’aimantation transversale , auxquelles s’ajoutent les inhomogénéités propres du champ magnétique externe (). Le (faible) signal de FID décroît ainsi de façon encore plus rapide selon une exponentielle en du fait des inhomogénéités propres (constantes) de qui accélèrent considérablement le déphasage des spins. Or, ce qui nous intéresse a priori, c’est le vrai , lié à l’interaction des spins entre eux (caractéristique de l’échantillon étudié) et non pas le , lié aux «qualités» de l’imageur (homogénéité de ) et qui, de plus, affaiblit et réduit la durée du signal. Hahn propose dès 1955 (bien avant l’avènement de l’imagerie par résonance magnétique) une méthode pour se débarrasser des inhomogénéités propres du champ principal externe et accéder ainsi au vrai par l’écho de spin.

Voyons tout de suite quel est le principe de l’écho de spin (ES) ou spin écho (SE).

Les inhomogénéités propres du champ principal étant constantes, il est possible, par l’application d’une impulsion RF de 180°, de s’affranchir des déphasages induits par qui eux aussi sont constants («rephasage des déphasages» constants induits par ). À la suite d’une impulsion de 90°, les spins se déphasent rapidement à cause des inhomogénéités de champ d’origine «moléculaire» (relaxation spin-spin irréversible) et aussi à cause des inhomogénéités propres de . Si au bout d’un temps TE/2 (TE/2 = demi-temps d’écho, voir ci-dessous), après l’impulsion RF de 90° (les spins se sont déjà déphasés), une impulsion RF de 180° est appliquée, celle-ci va inverser les déphasages (image en miroir) sans modifier le sens de rotation. Les spins qui précessaient le plus rapidement vont se retrouver à présent derrière les plus lents et, comme les vitesses de précession (et le sens de rotation) restent identiques, au bout d’un temps 2 TE/2 = TE (temps d’écho), les spins seront de nouveau (presque) en phase, engendrant un signal dit d’écho de spin. En effet, le terme «presque» est justifié car la formation d’un écho (de spin) par une impulsion de 180° ne permet de s’affranchir que des déphasages dus aux inhomogénéités propres de qui sont constantes et non pas des déphasages «aléatoires» dus aux inhomogénéités de champ d’origine «moléculaire» (relaxation spin-spin ou transversale) qui sont «irréversibles».

Pour bien comprendre comment, grâce à l’impulsion de 180°, il est possible de s’affranchir des inhomogénéités propres de , on peut prendre un exemple imagé (fig. 4-1). Considérons une feuille de papier qui apparaît, vue en coupe, lisse au toucher pour un observateur à l’échelle humaine (correspondant, en IRM, à une homogénéité sur le plan macroscopique ou un champ idéal, fig. 4-1a). Lorsqu’on regarde la même coupe au microscope, cette feuille comporte de nombreux reliefs, traduisant son inhomogénéité à l’échelle microscopique (champ inhomogène, fig. 4-1b). Si l’on en fait une image en miroir, à 180° (correspondant à une impulsion de 180°), on voit apparaître virtuellement une feuille de papier avec un relief symétrique (image en miroir, en pointillés, fig. 4-1c). Lorsque l’on fait la somme des deux reliefs (plan de coupe initial et image en miroir), on obtient de nouveau un plan de coupe parfaitement lisse correspondant au champ idéal (fig. 4-1d).

Fig. 4-1 Explication schématique de l’intérêt de l’impulsion de 180° pour s’affranchir des inhomogénéités propres de (voir texte).

Avant de revenir en détail sur la formation de l’écho de spin (rephasage des spins par l’impulsion RF de 180°), nous allons illustrer le phénomène par un exemple.

Imaginons (fig. 4-2) une course entre un lapin (rapide) et une tortue (lente) qui partent au temps t = 0 d’une même ligne de départ (alignés = en phase). Ils vont se distancer rapidement (ils se déphasent) : le lapin est devant la tortue. Au bout d’un temps donné (TE/2), on leur demande de repartir en sens inverse (impulsion de 180°) vers la ligne de départ. En supposant que leurs vitesses respectives soient constantes, au bout du même temps (TE/2), ils arriveront de nouveau ensemble sur la ligne d’arrivée (ils seront rephasés au temps d’écho TE). Bien que les deux animaux (spins) courent à des vitesses différentes, donc se déphasent progressivement, une astuce (l’impulsion de 180°) permet de s’affranchir des différences en phases (liées aux différences en vitesse)¹.

Fig. 4-2 Un lapin (rapide) et une tortue (lente) font une course.

Ils sont alignés sur la ligne de départ (= en phase) (a) et démarrent au temps (t = 0). Rapidement, le lapin qui court plus vite va devancer la tortue (ils se déphasent progressivement) (b). Au bout d’un temps TE/2, on leur demande de se retourner et de repartir en sens inverse (impulsion de 180°) vers la ligne de départ (c). Si leur vitesse respective reste constante, ils vont se rephaser progressivement et, au bout d’un même intervalle de temps TE/2, ils arriveront ensemble sur la ligne d’arrivée (ils seront rephasés au temps d’écho TE) (d). Bien que les deux animaux (spins) courent à des vitesses différentes (donc se déphasent progressivement), une astuce (l’impulsion de 180°) permet de s’affranchir des différences en phases (liées aux différences en vitesse).

Pour mieux comprendre le phénomène d’écho de spin, il faut compléter cet exemple (fig. 4-3). La course a lieu autour d’un champ de course circulaire (pour illustrer les notions de précession «rotation» et les déphasages «angles»). Avant la course, le lapin et la tortue sont sur la ligne de départ (en phase, après l’impulsion de 90°), contribuant à la formation du vecteur d’aimantation ou (T pour transversal, maximal au départ). Ils vont se distancer rapidement, le lapin étant devant la tortue : ils se déphasent (différences d’angles), et le vecteur (signal) diminue. Au bout du temps TE/2, on applique l’impulsion de 180° : celle-ci va inverser les déphasages sans modifier le sens de rotation (ni la longueur de ) : on obtient une image en miroir (par rapport à l’axe Ox). En supposant que leurs vitesses respectives soient constantes, les animaux se rapprochent progressivement (ils vont se rephaser : le vecteur – signal – recroît); au bout d’un second intervalle de temps TE/2, ils arriveront ensemble sur la ligne d’arrivée (ils seront rephasés au temps d’écho TE); c’est le phénomène de l’écho, le vecteur est de nouveau maximal : le signal est mesuré.