Présentation

La poursuite sans relâche d'une imagerie par résonance magnétique (IRM) plus rapide et plus efficace a entraîné des avancées significatives dans la conception de séquences de pulsations. Parmi les innovations les plus importantes, on peut citer le développement d'impulsions radiofréquences (RF) multibandes, qui permettent l'excitation et la lecture simultanées de plusieurs tranches ou régions. Cette technique, communément appelée imagerie multislices (SMS) simultanée, a été particulièrement transformatrice pour des applications telles que l'IRM fonctionnelle, l'imagerie par diffusion et la cine cardiaque.

Les fondamentaux de l'excitation RF dans l'IRM

L'équation du larmor et l'agnétisation nucléaire

Au cœur de l'IRM se trouve le phénomène de résonance magnétique nucléaire. Les noyaux d'hydrogène (protons) possèdent un moment magnétique et un élan angulaire (spin). Lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique statique B0, ces moments précèdent la direction du champ à la fréquence Larmor γ0 = γ B0, où γ est le rapport gyromagnétique (environ 42,58 MHz/T pour les protons). L'aimantation macroscopique nette M0 s'aligne sur B0 le long de l'axe longitudinal (axe z). Des impulsions RF sont appliquées à la fréquence Larmor pour mettre cette magnétisation en pointe loin de l'équilibre, générant une magnétisation transversale qui peut être détectée comme signal MR. La quantité d'angle de pointe est déterminée par l'amplitude et la durée de l'impulsion RF (angle de bascule).

Sélection des tranches et rôle des champs progressifs

La sélection des tranches repose sur l'utilisation d'un gradient de champ magnétique (par exemple, Gz) appliqué le long de l'axe orthogonal au plan de tranche désiré. Ce gradient fait varier la fréquence de Larmor de façon linéaire avec la position : γ(z) = γ(B0 + Gz·z). Une impulsion RF avec une bande passante finie Δf, centrée à une certaine fréquence f0, n'excitera que les spins dont la fréquence de résonance se situe dans cette bande passante. L'épaisseur de la tranche est déterminée par le rapport de la bande passante de l'impulsion à l'amplitude du gradient (Δz = Δf / (Δ Gz)). Une impulsion RF conventionnelle — souvent une impulsion en forme de sinc — excite une seule dalle de tissu contigu. Pour l'imagerie multibande, l'objectif est d'exciter simultanément plusieurs tranches distinctes à l'aide d'une seule impulsion RF.

L'équation de Bloch et le problème de conception de l'impulsion RF

L'évolution de l'aimantation sous l'influence combinée des champs RF et des champs gradient est régie par les équations du vecteur de magnétisation Bloch. La conception d'une impulsion RF est essentiellement un problème inverse, étant donné le profil spatial souhaité de l'aimantation transversale (par exemple, excitation uniforme sur de multiples tranches minces avec des nuls entre les deux), il faut déterminer la forme d'onde RF et la modulation du gradient qui la produisent. Pour les petits angles de retournement, la relation entre l'enveloppe d'impulsion RF B1(t) et le profil d'excitation résultant M xy(z) est bien approximative par une transformation linéaire de Fourier : M xy(z) γ iγ M0 ↓ B1(t) exp( -iγ- γ G z(t') dt'·z ) dt, où l'intégrale est la trajectoire d'espace k dans la dimension de sélection des tranches.

Principes de la conception multi-bande RF Pulse

Excitation simultanée de plusieurs tranches

Par exemple, si nous voulons exciter deux tranches à des positions z1 et z2 avec l'épaisseur de la tranche γz, nous concevons deux impulsions sélectives de tranche (par exemple, en forme de sinc) avec des fréquences porteuses décalées par γ Gz·(z1 - z2) et additionnons ensuite leurs formes d'onde. Dans le régime de petit angle, l'excitation globale est linéaire, de sorte que le profil d'aimantation est la superposition des deux profils individuels. Cette superposition directe introduit cependant des artefacts à ronflement et des lobes latéraux indésirables dans le profil, surtout si les tranches sont rapprochées. Une conception plus générale traite l'impulsion multibande comme une seule forme d'onde composite conçue pour avoir une réponse de fréquence qui contient de multiples bandes de passe. Cette superposition est obtenue en multipliant une impulsion sélective de base par une somme d'exponentiels complexes: B1−MB(t) = B1−base( .??n expo- .??n variant la base de chaque variance de l'impulsion par 1⁄2n 1⁄2n , la fréquence de chaque expo-

Modulation de la fréquence et de la phase

En pratique, la forme d'onde d'impulsion RF est complexe (composants I et Q). En attribuant un décalage de phase distinct à chaque bande, nous pouvons réduire les interférences constructives qui peuvent conduire à une augmentation de la puissance de crête (et donc à un taux d'absorption spécifique plus élevé, SAR). L'impulsion multibande la plus simple, utilisant un décalage de phase uniforme entre les bandes, donne souvent une amplitude de crête élevée. Une stratégie commune consiste à utiliser le cycle de phase, en attribuant des phases aléatoires ou linéaires à chaque excitation de tranche. Par exemple, si nous avons huit tranches simultanées, nous pourrions utiliser un accroissement de phase de 180° entre les bandes consécutives pour réduire l'amplitude de crête en détruisant l'addition cohérente. Cette modulation de phase peut être exprimée par B1−MB(t) = B1−base(t) · φn exp(i[==n t + φn]), où φn sont soigneusement choisies phases (souvent optimisées en utilisant un algorithme minimax pour minimiser l'enveloppe de pic).

Séparation des bandes et des passages croisés

L'un des principaux défis de la conception des impulsions multibandes consiste à réduire le crosstalk entre les tranches très espacées. Crosstalk se manifeste comme une aimantation non désirée dans les tranches adjacentes, découlant de la largeur finie du profil de la tranche et du chevauchement spectral entre les bandes. Cela peut entraîner une contamination des signaux et une réduction de la résolution temporelle pour les études de séries chronologiques. Trois stratégies principales visent le crosstalk : (1) optimiser l'inclinaison du profil de la tranche en utilisant des impulsions RF plus longues avec des produits à bande passante supérieure (p. ex., en utilisant un plus grand nombre de lobes latéraux pour les impulsions sinc); (2) appliquer des concasseurs de gradient après l'impulsion RF qui déphase l'aimantation transversale résiduelle des tranches adjacentes; et (3) utiliser des algorithmes de reconstruction d'imagerie parallèles qui tirent parti des schémas distincts de sensibilité des bobines pour séparer les signaux de chevauchement.

Stratégies de conception pour les pulsations multi-bandes RF

Pulses multibandes à base de fourier

Pour les petits angles de retournement (généralement inférieurs à 30°), l'approximation de Fourier de l'équation Bloch est valide et les impulsions peuvent être conçues directement dans le domaine de fréquence. Le profil d'excitation cible est une somme des fonctions rectangles centrées sur les positions de tranche souhaitées. La transformation inverse de Fourier de ce profil donne l'impulsion RF à valeur complexe. Parce que le profil contient plusieurs bandes distinctes, la forme d'onde du domaine temporel résultant est une version modulée d'une impulsion sinc à bande unique. Cette méthode est rapide et intuitive, mais elle produit des impulsions à haute amplitude de pointe (surtout lorsque de nombreuses tranches sont excitées simultanément) et des profils de tranche potentiellement médiocres dus à l'anneauage de Gibbs.

Shinnar-Le Roux (SLR) Transforme pour les pulsations multibandes

Pour les grands angles de déformation (par exemple, 90° ou 180°), l'approximation de Fourier échoue parce que les équations Bloch deviennent non linéaires. La transformation SLR est une méthode exacte pour concevoir des impulsions pour n'importe quel angle de déformation en masquant le problème sur la conception de filtres numériques. Une impulsion multibande basée sur SLR est conçue en construisant d'abord un profil spatial multibande — c'est-à-dire un motif d'aimantation par rapport à z qui alterne entre zéro (nulls) et l'angle de déformation souhaité (bandes de dérivation). Ce profil est décomposé en un ensemble de polynômes Chebyshev, qui définit à leur tour l'impulsion RF. Les impulsions SLR peuvent réaliser des transitions extrêmement nettes entre les bandes et les bandes de transmission très plates, mais elles nécessitent une optimisation soigneuse de la longueur du filtre et de l'ondullation.

Excitation sélective à taux variable (VERSE)

VERSE est une technique qui modifie simultanément l'amplitude des impulsions RF et la résistance au gradient pour réduire l'amplitude des pics RF ou raccourcir la durée des impulsions tout en maintenant le même profil d'excitation. Dans l'imagerie multibande, VERSE est particulièrement utile car les impulsions multibandes ont souvent des amplitudes de pic élevées qui s'approchent des limites matérielles et augmentent la SAR. Le principe de VERSE est d'appliquer une forme d'onde de gradient variable dans le temps qui traverse l'espace k plus lentement pendant les amplitudes RF élevées et plus rapidement pendant les amplitudes RF faibles. Cela étend efficacement l'énergie RF, abaissant le pic mais potentiellement allongeant l'impulsion. Pour les multibandes, VERSE peut être appliqué séparément à la forme d'onde composite ou à chaque bande.

Optimisation et méthodes itératives

La conception moderne des impulsions multibandes repose de plus en plus sur l'optimisation numérique pour répondre aux exigences concurrentes de la durée des impulsions, de la précision de l'angle de basculement et de la suppression des artefacts. Le problème est souvent lancé comme une optimisation limitée : minimiser l'amplitude RF maximale (ou énergie totale) soumise à l'équation Bloch et les contraintes du profil d'excitation à chaque position de tranche. Pour les cas à angle de petite taille, on peut utiliser la programmation quadratique convexe; pour les cas à angle de grande taille, on peut utiliser des méthodes non linéaires telles que la théorie de contrôle optimale (p. ex., la descente en gradient ou l'algorithme Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno).

Contraintes pratiques et intégration avec l'imagerie parallèle

Gestion spécifique du taux d'absorption (SAR)

Le SAR est une préoccupation majeure pour les impulsions multibandes, surtout aux niveaux ultra-élevés (7 T et plus). Un dépôt d'énergie multibande sur plusieurs tranches simultanément, de sorte que le SAR augmente de façon assez linéaire avec le nombre de bandes si aucune optimisation n'est appliquée. Le taux d'absorption spécifique est régi par l'intégrale temporelle du carré de l'enveloppe RF, et toute réduction de l'amplitude de crête ou de la durée de l'impulsion réduit directement le SAR. Des techniques telles que le cycle de phase, la VERSE et l'optimisation sont essentielles pour maintenir le SAR dans les limites de la FDA/IEC. De plus, l'utilisation de systèmes de transmission parallèle (pTx) où plusieurs canaux RF indépendants sont entraînés par des formes d'onde distinctes permet une distribution spatiale de l'énergie RF pour réduire les points chauds SAR locaux.

Combinaison avec SENSE et GRAPPA

La séparation des signaux de tranche est effectuée en utilisant les profils de sensibilité à la bobine connus d'un récepteur de réseau. Ceci est analogue à l'accélération de l'imagerie parallèle dans le sens de l'encodage des tranches. Des méthodes comme SENSE (Encodage de sensibilité) ou GRAPPA (Autocalibrage parallélisé de la génération) sont étendues pour gérer la séparation simultanée des tranches. Dans SENSE, le déploiement des images de tranche aliasées utilise des cartes de sensibilité à la bobine; dans GRAPPA, les lignes d'espace k manquantes sont remplies à l'aide d'un noyau estimé à partir de données d'étalonnage automatique. La combinaison de l'excitation multibande et de l'imagerie parallèle est appelée imagerie simultanée à plusieurs tranches (SMS) et est largement mise en œuvre dans des séquences commerciales (par exemple, Siemens « SMS», GE «Hyperband», Philips «MultiBand»).

Applications des pulsations multi-bandes RF

RMF et réseaux d'état-de-soutien

L'une des applications les plus anciennes et les plus efficaces des impulsions multibandes est l'IRMF, en particulier pour l'imagerie par oxygène sanguin (BOLD). La capacité d'acquérir une couverture totale du cerveau avec une résolution temporelle élevée (p. ex. TR < 1 s) a révolutionné l'étude de la dynamique cérébrale. Les facteurs d'accélération multibande de 4 à 8 permettent d'échantillonner l'ensemble du cerveau à tous les 400 à 800 ms, captant les fluctuations rapides des réseaux de l'état de repos et les réponses aux tâches évoquées. La conception des impulsions multibandes pour l'IRMF met souvent l'accent sur la faible R-S et la courte TE, exigeant des impulsions très efficaces qui fonctionnent à de petits angles de rotation (généralement 10 à 20°).

Diffusion IRM et tractographie

L'imagerie à haute résolution angulaire (HARDI) et l'imagerie à tenseur de diffusion (DTI) sont des techniques cliniquement réalisables. En même temps, les tranches 2 à 4 sont plus intéressantes, la couverture efficace par TR augmente, ce qui réduit le temps d'acquisition total par le même facteur. Cependant, les gradients de diffusion sont forts et peuvent induire des courants de Foucault et des artefacts de mouvement qui sont exacerbés par des excitations multibandes. Par conséquent, la conception des impulsions RF pour la diffusion comprend souvent une considération attentive de l'annulation du moment de gradient et l'utilisation d'échos de spin à double recentrage pour atténuer les courants de Foucault. De plus, les séquences de diffusion multibande utilisent souvent une forme spéciale de impulsion RF « pyramidale » pour minimiser la décroissance T2* pendant la longue période d'écho. La combinaison de détection multibande et de compression accélère encore la DWI, permettant une tractographie en cerveau entier en moins de 5 minutes sur 3 scanners T.

Imagerie cardiaque et dynamique en temps réel

Les impulsions RF à plusieurs bandes permettent l'acquisition de plusieurs slices dans une seule phase cardiaque, réduisant ainsi le nombre de cales respiratoires ou permettant la respiration libre. Pour les séquences équilibrées de précession libre à l'état d'équilibre (BSSFP), qui sont le pilier de la cine cardiaque, la conception des impulsions multibandes doit assurer une condition d'équilibre sur toutes les tranches simultanément excitées. Ceci est obtenu en utilisant un train d'impulsions multibandes identiques avec constante TR et gâtement prudent de la magnétisation transversale résiduelle. Des conceptions avancées, comme l'échantillonnage radial « stack-of-stars » combiné à l'excitation multibande, produisent des images très robustes avec une sensibilité réduite au mouvement. La gestion SAR est particulièrement critique dans les applications cardiaques en raison de la masse de tissus importants et du potentiel de chauffage RF près du thorax.

Orientations futures et techniques émergentes

L'évolution de la conception des impulsions RF multibandes continue de repousser les limites de l'accélération de l'IRM. Les méthodes d'apprentissage automatique, en particulier les réseaux neuronaux profonds, sont appliquées au problème inverse de la conception des impulsions. Ces modèles peuvent apprendre la cartographie complexe des profils multibandes souhaités aux formes d'onde RF optimales, en tenant compte des contraintes telles que la R-S et la non-linéarité matérielle. Les premiers résultats montrent que les réseaux neuronaux peuvent générer des impulsions qui dépassent les performances des algorithmes d'optimisation conventionnels en termes de précision des profils et de durée des impulsions. Une autre avenue prometteuse est l'utilisation de l'IRM ultra-faible (p. ex. 0,55 T), où la fréquence inférieure de larmor réduit la R-S, permettant des facteurs multibandes plus élevés sans dépasser les limites réglementaires.

Conclusion

Leur conception est profondément ancrée dans la physique fondamentale de la résonance magnétique, y compris l'équation de Larmor, les équations Bloch et la relation de transformation de Fourier entre les impulsions RF et les profils spatiaux. Les stratégies de conception clés — de la superposition de Fourier simple à l'optimisation avancée et aux transformations de SLR — ont permis de traduire cette technique en pratique clinique courante. L'intégration avec l'imagerie parallèle et la gestion minutieuse de la SAR ont rendu l'acquisition simultanée de plusieurs portions sûres et efficaces pour une large gamme d'applications, du cerveau à l'IRMf au coeur.