I)
Présentation
II)
Principe
de fonctionnement de l’IRM
L’imagerie
par résonance magnétique (I.R.M.) dérive d’une application de la
technique d’analyse chimique par résonance magnétique nucléaire (R.M.N.),
dont la découverte remonte à 1946. L‘appareil ressemble à un scanner, à
la différence que ce n’est pas un bloc de radiation qui est utilisé mais
de résonance. Cet appareil fonctionne grâce à un aimant et à des ondes
radio pour produire des images des organes et des tissus de l’organisme.
L'IRM ou Imagerie par
Résonance Magnétique Nucléaire est une technique non invasive, d'une totale
innocuité, basée sur le principe de la résonance des atomes de certaines
molécules (en imagerie diagnostique : l'hydrogène) sous l'action de
certaines ondes de radio-fréquences.
L'appareil est constitué d'un tunnel formé d'un aimant très puissant (0,1
à 1,5 Tesla) entourant le lit d'examen sur lequel s'allonge le patient.
Des antennes spécifiques y sont connectées.
Certaines émettent une onde radio-fréquence qui excite ou stimule les noyaux
d'hydrogène contenus dans l'eau composant nos cellules (près de 80% du poids
corporel est constitué d'eau).
Après arrêt de la stimulation (qui dure à peine quelques millisecondes) les
atomes d'hydrogène restituent cette énergie qui se dissipe dans différents
plans de l'espace sous l'action du champ magnétique de l'aimant.
L'énergie est alors captée par d'autres antennes dites antennes réceptrices
puis analysée par un puissant ordinateur qui construit alors une véritable
carte énergétique de la partie du corps étudiée.
Suivant la composante en eau des tissus analysés, leurs vascularisations et
leurs pathologies éventuelles, les images seront différentes et l'ordinateur
réalise des images en noir et blanc d'une très grande sensibilité et très
précieuses pour le diagnostic, notamment en matière de pathologie tumorale
ou infectieuse.
Il est ainsi possible de réaliser des coupes dans tous les plans de l'espace
et ce de pratiquement n'importe quelle partie du corps humain comme si l'on
effectuait une étude à ciel ouvert sans bien entendu toucher le malade.
1)
Principe
de la Résonance Magnétique Nucléaire
Le principe de la
R.M.N. exploite la propriété qu’ont les noyaux atomiques de se comporter
comme des dipôles magnétiques dans un champ magnétique. Les noyaux tournent
sur eux-mêmes et possèdent un spin (vecteur représentant l’axe de
rotation) ou moment magnétique qui se comporte comme un aimant.
Moment
magnétique angulaire de spin ou spin
C'est un
vecteur qui représente l'axe de rotation du proton sur lui-même
Sans effet extérieur, cet
aimant s’oriente dans n’importe quelle direction, de façon aléatoire.
Mais lorsqu’il est soumis à un champ magnétique B constant et homogène
(de 0,2 à 2,0T), il s’oriente selon des directions bien précises :
Dans
un champ magnétique, le spin du proton s’aligne selon 2 positions :
parallèle
(Sud Nord) ; antiparallèle (Nord Sud)
Les deux positions
ne sont pas équivalentes. Elles correspondent à des niveaux d'énergie
différents.
Il
faut un paquet d'énergie ou "quantum" moins élevé pour mettre un
proton en position parallèle.
Or
les protons suivent la règle générale : moins on en fait, mieux on se
porte.
Par
conséquent, il va y avoir un tout petit peu plus de protons alignés en
position parallèle dans le sens du champ magnétique.
Sur
2 millions et 3 protons, alignés dans un champ magnétique de 0,3 teslas, il
y en aura 1 million + 3 dans le sens du champ magnétique, sens parallèle, et
1 million dans le sens antiparallèle.
Donc
entre les deux positions, parallèle et antiparallèle, il existe une
différence d'énergie DE.
C'est
cette différence entre les deux niveaux d'énergie qui va rendre possible la
détection d'un signal de résonance magnétique.
Lorsqu'on
augmente l'intensité du champ magnétique, on augmente la différence
d'énergie qui existe entre les deux états des spins.
Ce
faisant, on augmente le signal, mais aussi certains artéfacts et autres
inconvénients, ce qui fait que l'on ne peut pas augmenter le champ
magnétique au-dessus de deux teslas.
Lorsque
les noyaux alignés reçoivent un apport d'énergie sous la forme d'une onde
électromagnétique dont la fréquence est égale à la fréquence de
résonance du noyau (fréquence de Larmor), ils entrent en résonance et
basculent du sens parallèle au sens antiparallèle, c'est-à-dire de l'état
fondamental de basse énergie au niveau de haute énergie.
Pour
indication, l’hydrogène résonne :
_ à 21,2 MHz
dans un champ de 0,5 tesla
_ à 42,5 MHz
dans un champ de 1,0 tesla
_ à 63,8 MHz
dans un champ de 1,5 teslas
Lorsque l'émission RF s'arrête, le proton
reprend sa position initiale et restitue cette énergie, sous la forme d'un
signal, que l’on représente comme une sinusoïde amortie :
Cette sinusoïde se caractérise par :
Sa fréquence
:
c'est la fréquence de résonance.
Son amplitude de
départ
: elle est fonction du nombre de protons dans l'échantillon, de l'intensité
de l'onde RF, de l'intensité du champ magnétique, de l'environnement
physico-chimique des protons. L'amplitude s'exprime sous la forme d'une
intensité de courant induite par l'onde radiofréquence dans la bobine
réceptrice.
La pente de la courbe de décroissance
: cette pente présente une décroissance exponentielle.
La décroissance est dite libre,
parce qu'elle s'effectue librement après arrêt de l'impulsion RF. Cette
impulsion RF a induit un signal, d'où le nom de décroissance de l'induction libre
ou en anglais "Free Induction Decay" ou encore FID.
Les protons alignés
dans le champ magnétique sont représentés par un vecteur de magnétisation
M qui a deux composantes, la magnétisation longitudinale Mz et la
magnétisation transversale Mxy.
Une impulsion de
radiofréquence appropriée diminue Mz et augmente Mxy.
A l'arrêt de
l'impulsion RF, le retour à l'état d'équilibre s'accompagne d'une part de
la restauration de la magnétisation longitudinale (au cours de cette
remagnétisation, il y a des échanges d’énergie importants avec les
molécules avoisinantes), d'autre part de la décroissance de la
magnétisation transversale (qui correspond au déphasage des spins). Les
temps de relaxation T1 et T2 caractérisent alors la structure chimique et la
composition du matériau étudié :
Restauration
longitudinale (T1)
C'est la raison du
contraste en IRM. Voici, à titre d'exemple, la valeur du T1 de certains
tissus dans un champ de 1 Tesla (en millisecondes).
|
Graisse
|
240
ms
|
|
Muscle
|
730
ms
|
|
Substance
blanche
|
680
ms
|
|
Substance
grise
|
809
ms
|
|
LCR
|
2500
ms
|
Les temps de relaxation
T1 sont de l'ordre de la seconde.
Restauration
transversale (T2)
Le T2 des tissus biologiques est environ 10 fois plus court que leur T1.
Voici quelques valeurs de T2 dans un champ de 1 Tesla.
|
Graisse
|
84
ms
|
|
Muscle
|
47
ms
|
|
Substance
blanche
|
92
ms
|
|
Substance
grise
|
101
ms
|
|
LCR
|
1400
ms
|
Les temps de
relaxation T1 et T2 sont donc les éléments qui permettent de déterminer la
nature de la structure analysée. Le choix de l’enregistrement en T1 ou en
T2 améliore la possibilité de différenciation des tissus. Phase et
fréquence permettent la reconstruction tomographique en elle-même.
a) L'aimant principal
Cet aimant va produire un champ magnétique
Bo. La
fréquence de résonance des protons sera proportionnelle à la valeur du
champ principal Bo. Le Bo peut être produit par:
- Un aimant
résistif: C'est un électro-aimant. Un
courant électrique parcourt la bobine entourant un noyau de fer doux. Ce type
de bobine produira de la chaleur par effet de Joule, un champ magnétique
relativement faible.
- Un aimant supraconducteur: Il sera basé sur le
même principe mais sera refroidi à une température proche de 0°K. Il y a
ainsi création d'un aimant de champ élevé avec une consommation
d'électricité plus faible. C’est le type d’aimant installé aujourd’hui.
- Un aimant permanent: Il peut être créé par un
ensemble de corps paramagnétiques. Il faut que le Bo soit très homogène:
c'est un facteur de qualité de l'appareil. Cependant il ne sera jamais
entièrement uniforme: il le sera à 10^-5 ou 10^-6 près. L'intensité du Bo
conditionne la qualité de l'image. Le rôle du Bo est de faire entrer les
protons en résonance.
On va superposer à Bo un gradient de champ
magnétique en fonction de l'espace. Ce champ magnétique est produit par des
bobines parcourues par un courant continu. Il y aura des paires de bobines: il
faut deux bobines pour créer un gradient de champ et une paire par direction
de l'espace. Elles réalisent une variation graduelle de champ B dans l'espace
permettant un codage spatial de l'image.
Les
ondes radio fréquences sont constituées par un champ magnétique et par un
champ électrique perpendiculaire entre eux. Ces antennes vont émettre un
champ B1. Ce champ sinusoïdal, variable en fonction du temps, est de valeur
assez faible. Leur rôle va être d'émettre les impulsions radio fréquences
et permettre la réception du signal.
Schéma
fonctionnel de l’IRM
Clinique Radiologique Dunkerque
