Chapitre 8 Facteurs de qualité de l’image en IRM

En IRM, la qualité de l’image est un élément primordial dans le rendement diagnostique. Elle dépend d’un grand nombre de paramètres dont certains (liés à l’appareillage) sont indépendants de l’opérateur ; d’autres en revanche sont directement accessibles lors de la programmation de la séquence. Il n’y a pas de combinaison « miracle » et l’image résultante est toujours un compromis où interviennent l’ensemble de ces paramètres, la durée d’acquisition et bien évidemment la pathologie explorée. Nous nous intéresserons principalement dans ce chapitre aux paramètres accessibles à l’opérateur dont le choix guidé en connaissance de cause peut amplement améliorer la qualité de l’image. Cette dernière est également influencée par les artéfacts qui seront traités dans le chapitre 11.

Critères de qualité de l’image

La qualité de l’image est difficile à apprécier objectivement. Néanmoins, certaines mesures physiques permettent de l’évaluer :

• le rapport signal sur bruit ;

• le contraste ;

• la résolution spatiale.

Ces critères objectifs de qualité sont interdépendants et liés au temps d’acquisition de l’image (directement pour le premier et le dernier).

Pour résoudre un problème diagnostique donné, l’opérateur sera amené à privilégier l’une de ces données (par exemple la résolution spatiale pour un micro-adénome hypophysaire et le contraste pour un hémangiome hépatique).

Le rapport signal sur bruit

Le rapport signal sur bruit (S/B) est certainement le facteur qui conditionne le plus la qualité de l’image de résonance magnétique. Il influencera le contraste et la résolution spatiale : le problème posé à l’opérateur est celui de la recherche du meilleur S/B avec la meilleure résolution spatiale, c’est-à-dire le plus petit voxel. Ces deux facteurs sont antinomiques et, de plus, prolongent le temps d’acquisition.

Le signal de résonance magnétique est, nous le savons, relativement faible. Il est obtenu par la mesure du courant induit dans l’antenne réceptrice. Il dépend de facteurs inhérents aux tissus explorés : ρ, et . Il est également influencé par certaines caractéristiques de l’appareillage : champ , gradients de champs, impulsions RF, antennes.

Enfin, il dépend des paramètres d’acquisition sélectionnés par l’opérateur : TR, TE, angle de bascule, volume du voxel, nombre de lignes de la matrice, nombre d’excitations, bande passante.

Le bruit est l’ensemble des signaux indésirables qui dégradent la formation de l’image. Il est aléatoire ou cohérent et provient :

• du système électronique de traitement du signal (en particulier des fluctuations électroniques dans l’antenne) ;

• des mouvements moléculaires ;

• des artéfacts.

L’intensité du signal en spin écho est donnée par la relation :

[1]

Cette équation montre que le signal est proportionnel à la densité protonique. Il dépend également de deux paramètres tissulaires et et de deux paramètres TR et TE opérateur-dépendants qui permettent de moduler le contraste [et du flux f(v)].

Pour un contraste donné, le rapport S/B peut alors s’exprimer en fonction des autres paramètres :

[2]

Vvox = volume du voxel = dx · dy · Ec (dimension en x, en y et épaisseur de coupe) ; Np = nombre de lignes de la matrice (p pour phase = nombre d’étapes de codage de phase) ; Nex = nombre d’excitations ; BP = bande passante.

Le rapport S/B peut être évalué sur une image (fig. 8-1). En effet, la mesure du signal moyen Sm sur une zone homogène de l’image comporte une certaine incertitude ; cette fluctuation d’un voxel à l’autre autour de la valeur S est appelée « déviation standard » ou « écart type » : elle correspond au bruit. Le rapport S/B peut donc être défini comme le rapport Sm sur la déviation standard : Sm/DS. Il est également possible de mesurer la déviation standard de l’image dans une zone de signal nul hors de l’objet. Cependant, par cette méthode, le bruit est majoré et le rapport ainsi calculé ne sera qu’une fonction du rapport S/B.

Fig. 8-1 Évaluation du rapport signal sur bruit (S/B).

Le rapport S/B correspond au rapport du signal moyen sur la fluctuation du signal ou déviation standard : Sm/DS.

Le contraste

Autre critère de qualité de l’image, le contraste (C) est la variation de l’intensité de signal entre deux structures adjacentes. Il peut être exprimé en fonction du signal par la relation suivante :

Le contraste dépend d’une part de paramètres intrinsèques aux tissus : temps de relaxation et , densité protonique, propriétés magnétiques locales et mouvements moléculaires, et d’autre part de paramètres accessibles à l’opérateur : TR, TE et angle de bascule de la séquence d’acquisition.

La faculté de pouvoir différencier deux tissus est plus justement appréciée par la notion de contraste sur bruit (qui tient compte des différences en S/B, fig. 8-2) :

Fig. 8-2 Notion de contraste et contraste sur bruit.

Sa et Sb représentent deux structures anatomiques avec respectivement un contraste « intrinsèque » de 10 % (1 et 3) et 25 % (2 et 4). Bien que le contraste soit supérieur sur l’image 4 par rapport à l’image 3, la discrimination entre les deux structures anatomiques est plus difficile en 4 (/3) car la valeur du bruit est également majorée en 4 (/3) : le contraste C est meilleur en 4 (/3) mais le rapport C/B est meilleur en 3 (/4).

La résolution spatiale

La résolution spatiale permet de déterminer la dimension du plus petit volume observable.

Dans la pratique, elle dépend directement du volume du voxel qui est égal à la taille du pixel multipliée par l’épaisseur de coupe (volume du voxel = dx · dy · Ec, c’est-à-dire dimension en x × dimension en y × épaisseur de coupe).

La taille du pixel est contrôlée par la taille du champ d’exploration (FOV – field of view) et par la matrice : la résolution spatiale augmente avec la matrice pour un champ donné, et à matrice équivalente lorsque le champ diminue. La résolution spatiale augmente également lorsque l’épaisseur de coupe diminue.

Mais, l’augmentation de la résolution spatiale entraîne une baisse immédiate du rapport S/B, celui-ci étant proportionnel au volume du voxel (relation [2]).

Le contrôle de la résolution spatiale par la taille du voxel est effectif si le contraste et le rapport S/B sont suffisants. En effet, le gain en résolution spatiale peut être inefficace si l’image est trop bruitée du fait d’un voxel trop petit.

Pour chaque image, il existe un compromis idéal entre le rapport S/B, le contraste et la résolution spatiale (déterminé par la notion de pouvoir de résolution ¹). Il s’agit là du problème qui se pose constamment à l’opérateur en IRM : la recherche du meilleur compromis entre le rapport S/B, le contraste et la résolution spatiale.

Les artéfacts

La présence d’artéfacts peut considérablement réduire la qualité de l’image IRM. Leur influence peut également être considérée comme un critère de qualité.

Les principaux artéfacts sont (voir Chapitre 11 pour plus de détails) :

• les artéfacts liés au système IRM : artéfacts de troncature, repliement (aliasing), déplacement chimique, susceptibilité magnétique, phénomène d’excitation croisée, artéfacts liés à l’utilisation de certaines séquences ou à des éléments matériels ;

• les artéfacts liés au patient : artéfacts métalliques, artéfacts de mouvement (mouvements volontaires et involontaires : mouvements cardiaques et respiratoires, flux sanguin, péristaltisme). Les artéfacts de mouvement, par exemple, agissent sur la qualité de l’image en diminuant le pouvoir de résolution.

Corollaire : le temps d’acquisition

Le temps d’acquisition est un élément incontournable en exploration IRM. Il s’oppose souvent aux efforts entrepris pour améliorer la qualité de l’image.

Le temps d’acquisition se calcule de la manière suivante (voir Chapitre 6) :

En 2DFT :

[3]

TR = temps de répétition ; Np (ou Nl ou Cp) = nombre de lignes de la matrice ou nombre d’incrémentations du gradient de codage de phase ; Nex = nombre d’excitations.

Le temps d’acquisition est un élément primordial car il conditionne la durée de l’immobilité du patient durant la séquence, et par conséquent la qualité de l’exploration.

Les paramètres mis en œuvre pour son calcul influencent soit le rapport S/B, soit la résolution, soit le contraste. Le temps d’acquisition est donc à considérer comme un élément supplémentaire dans les critères de qualité d’une image IRM.

Rappelons de plus qu’il est possible de réaliser plusieurs coupes (mode multicoupes) durant le même temps d’acquisition. Le nombre total de coupes réalisable est fonction du TR et du TE_t (TE du dernier écho : « tardif ») ; il est égal à :

[4]

où ts représente un temps supplémentaire propre à chaque appareil.

En 3DFT, le temps d’acquisition dépend, outre les paramètres évoqués dans la relation [3], d’un second gradient de phase (Npz) dans l’axe de sélection de coupes correspondant au nombre de partitions dans le volume ou au nombre de coupes (voir Chapitre 6) :

En 3DFT :

[5]

Npy = nombre de lignes de la matrice ou nombre d’incrémentations du gradient de codage de phase ; Npz = nombre d’incrémentations du second gradient de phase dans l’axe de sélection de coupe ou nombre de coupes.

Enfin, le temps d’acquisition pourra encore dépendre de paramètres supplémentaires en imagerie rapide (voir Chapitre 9).

Ainsi, la qualité d’image est un problème permanent qui se pose à l’opérateur en IRM. Celui-ci est constamment à la recherche du meilleur compromis possible entre un bon rapport signal sur bruit, une résolution spatiale optimale et une durée d’examen acceptable. Pour un contraste donné, ces trois paramètres sont liés, l’amélioration dans un domaine se faisant au détriment de l’un ou des deux autres (fig. 8-3).

Fig. 8-3 Influence réciproque entre temps d’acquisition, rapport S/B et résolution spatiale.

Pour un contraste donné, ces trois paramètres sont liés, la modification dans un domaine se faisant au détriment de l’un ou des deux autres.

C’est essentiellement en jonglant avec les différents paramètres qu’il sera possible de maintenir une qualité d’image optimale.

Les paramètres en exploration IRM

La complexité de l’IRM tient certainement à l’aspect multiparamétrique de cette technique. Les paramètres mis en jeu vont influencer la qualité de l’image en modifiant un ou plusieurs des critères étudiés précédemment. Rappelons que certains paramètres sont inaccessibles à l’opérateur ; d’autres, en revanche, dépendent directement du paramétrage lors de la préparation de la séquence d’acquisition.

qui doit être le plus homogène possible (contrôlé par les bobines de shim) ;

• l’émetteur : une amplification non linéaire est responsable d’une déformation de l’onde excitatrice, d’où le phénomène d’excitation croisée (voir Chapitre 11).

Ils comprennent également deux éléments dont les caractéristiques sont déterminées par le constructeur, mais sur lesquels l’opérateur a une certaine action :

• les gradients : ils sont caractérisés par leur intensité maximale qui détermine les limites inférieures de l’épaisseur de coupe, du FOV et du TE, par leur linéarité et par leur temps de montée. L’opérateur agit sur les gradients lorsqu’il choisit le plan et l’épaisseur de coupe ;

• les antennes : elles sont le maillon essentiel de la chaîne de réception du signal. Elles sont caractérisées par leur sensibilité et leur gain. Elles sont de deux types : antennes cylindriques (ou de volume) et antennes de surface. Les antennes de surface permettent d’obtenir le meilleur rapport S/B tout en augmentant la résolution spatiale (diminution du FOV), mais elles n’explorent qu’une faible profondeur. Les antennes sont choisies par l’opérateur en fonction de la région à explorer, selon des protocoles bien définis (voir Chapitre 13).

Les paramètres opérateur-dépendants

Ils sont accessibles lors de la mise en place d’une séquence d’acquisition et vont permettre à l’opérateur d’effectuer le choix optimal en fonction de la région explorée et de la lésion recherchée.

Les paramètres qui modifient le contraste

Pour les séquences courantes (spin écho et écho de gradient), les paramètres accessibles sont le TR, le TE et l’angle de bascule θ.

En spin écho, où se succèdent des impulsions RF de 90° et de 180°, le contraste est déterminé par une combinaison des TR et TE (voir Chapitre 5) :

• TR court (400 à 600 ms), TE court (15 ms) → image pondérée en

;

• TR long (2 000 à 2 500 ms), TE court → image pondérée en densité de protons ;

• TR long, TE long (80 à 120 ms) → image pondérée en

Par ailleurs, nous savons que la repousse de l’aimantation longitudinale est plus importante pour un TR long. On peut en déduire que le rapport S/B augmente avec le TR jusqu’à une valeur maximale : ainsi, 96 % du signal disponible sont obtenus lorsque TR = 3 , le signal étant proportionnel à [1 – exp (– TR/)]. En revanche, lorsque le TR diminue (en pratique TR < ), l’aimantation longitudinale ne repoussera pas suffisamment, d’où une diminution du signal disponible et par conséquent une dégradation du rapport S/B (fig. 8-4). De plus, les TR courts permettent la réalisation de moins de coupes (relation [4]), mais ils diminuent le temps d’acquisition (relation [3]).

Fig. 8-4 Influence de la modification du TR sur le rapport S/B.

Coupes réalisées en SE pondérées . (a) TR = 600 ms (TE = 14 ms). (b) TR = 300 ms (même TE).

Lorsque le TR diminue (b), l’aimantation longitudinale ne repousse pas suffisamment, d’où une diminution du signal disponible et par conséquent une dégradation du rapport S/B.

Images : Sandrine Lefort.

Le rapport S/B dépend également du TE. Le TE optimal est le TE minimal permis par l’appareil. En effet, lorsque le TE augmente, le signal diminue (décroissance en ) (fig. 8-5). Pour compenser cette baisse de signal lorsque le TE augmente, certains imageurs permettent de réduire la largeur de la bande passante (BP), d’où une augmentation du signal (relation [2] : ). Ainsi, pour des TE longs, indispensables pour obtenir une pondération , la perte de signal est moins importante que prévu. Néanmoins, le nombre de coupes diminue lorsque le TE augmente.