IRM: Une belle histoire de science

IRM: Une belle histoire de science
Jean-François Mathiot
Daniel Morvan
Jean Gabrillargues
LPC/CNRS
Centre Jean Perrin/INSERM
CHU Clermont
Ou comment passer d’une découverte étonnante en
physique des particules élémentaires (≈ 1920) à un
appareillage d’imagerie médicale mondialement
utilisé en routine ( > 1990)
IRM: Une belle histoire de science
1. Une propriété étonnante de la matière: le “spin”
2. Historique et résultats de l’Imagerie par
Résonance Magnétique Nucléaire
3. Quelques belles applications cliniques
Remontons dans le temps avec la
complicité des prix Nobel
2003: Médecine attribué à un physicien et à un chimiste pour leur
découverte de l’IRM (années 70)
P. Mansfield - P. Lauterbur
1952: Applications de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)
(1946)
F. Bloch - E. Purcell
1945: Principe d’exclusion de Pauli (1925)
W. Pauli
1944: Mise en évidence du phénomène de RMN (années 30)
I. Rabi
1943: Expérience fondatrice qui a mis en évidence le “spin” des
particules (1922)
O. Stern
Que s’est-il donc passé dans les
années 20?
1922: Expérience de Stern et Gerlach
intensité
Faisceau d’argent
Image formée sur la
plaque sensible
Plaque
sensible
distance
 Les atomes d’argent se comportent comme des « aimants microscopiques »
 leur moment magnétique a des valeurs bien précises: +1/2 ou -1/2 dans
des unités adéquates
 pourquoi seulement 1/2 ou -1/2: mystère de la mécanique quantique!
 Ceci est aussi vrai pour l’atome d’hydrogène et aussi pour l’électron et le
proton séparément
1925: Hypothèse du « spin »
par G. Uhlenbeck et S. Goudsmit
 suggèrent que l’électron « tourne sur lui même »
d’où le nom de « spin »
 boucle de courant
 moment magnétique élémentaire
On verra plus tard les questions théoriques
que cela pose !!
1927: Equation de Pauli
 Equation du mouvement pour décrire le
comportement de ces états
 Le « spin » est aussi nécessaire pour satisfaire
le principe d’exclusion de Pauli
 En plein dans le développement de la mécanique
quantique …. à suivre
Comportement d’un « spin » dans un
champ magnétique
 Ensemble de particules dans un
champ magnétique constant
 trajectoires circulaires autour de l’axe du champs
si elles sont chargées : force de Lorentz
 « orientation des spins » dans la direction du
champ B0
 aimantation globale M non nulle
 l’alignement est d’autant meilleur que le
champ est fort (et la température faible)
 Mouvement de précession autour de B0 avec la
vitesse angulaire ω0
= γ B0 : précession de Larmor
 Appliquons maintenant un champ magnétique
B1 faible, perpendiculaire à B0 et tournant autour
 vitesse
de rotation ω
 phénomène
de résonance pour ω = ω0
 l’aimantation globale va se mettre à tourner
autour de B1 et non plus autour de B0
au niveau élémentaire,
le « spin » de chaque particule
va pouvoir basculer de l’état
+1/2 à l’état -1/2
se traduit par une absorption d’énergie
 si l’on arrête maintenant le champ B1
 l’aimantation
globale va retourner à
son état le plus stable
 alignement
dans la direction du
champ B0 en décrivant une spirale
signal de résonance en étudiant
l’évolution des composantes de M
 signal électrique aux bornes
de la bobine (ou antenne) : FID
 temps de relaxation
 Résonance Magnétique Nucléaire
Application de la Résonance
Magnétique Nucléaire
 la condition de résonance ω = ω0 = γ B0
dépend du champ B0 ressenti par la particule
 dans une molécule chimique ou organique les
protons d’un noyau sont entourés d’électrons,
d’autres atomes,…
le champ magnétique ressenti par le proton
change suivant son emplacement  Beff ≠ B0
 la condition de résonance change donc aussi
 caractérisation très fine de la composition, et
de la forme, de la molécule
Énergie absorbée
Récapitulatif
 Propriété intrinsèque des particules élémentaires :
 le « spin » comme « toupie » ou « aimant permanent »
 et l’on ne comprend toujours pas précisément
son origine microscopique!
 Alignement des « spins » dans un champ magnétique constant B0
 Phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire sous l’effet d’un
second champ magnétique, plus faible, perpendiculaire et tournant
autour de B0
 les « spins » basculent
 les signaux de basculement, et de retour à l’équilibre après
arrêt du champ B1 sont une signature extraordinairement
précise du système étudié
 Application
à l’imagerie médicale: IRM