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INTRODUCTION:
L’IRM ou Imagerie par résonance magnétique est une technique d’imagerie
médicale tout comme le scanner ou la radio
Plus récente que ces derniers, elle offre de nombreux avantage comme un
meilleur contraste et moins de risques pour le patient.
Historique :
-1946 : découverte du principe de la résonance magnétique par Purcell et
Bloch
-1972 : premières applications en médecine de l’IRM
-1982 : première IRM en France
Analyse rapide :
L’IRM est une machine très complexe, il y a
seulement 4 constructeurs sur le marché :
Aimant
-Philips
-Toshiba
-General Electrics
-Siemens
Tunnel
Patient
.
L’IRM utilise donc la réaction des protons du corps humain soumis à un
champ magnétique très puissant alimente par un énorme aimant
supraconducteur.
Un signal est capté puis analyse par une puissante électronique et
informatique. On obtient ainsi une image extrêmement détaillée.
Au cours de ce dossier, nous essaierons d’expliquer bien sur le
fonctionnement « physique » de l’IRM bien que celui-ci est très complexe
mais également de l’utilisation de celle-ci, des risques encourus et de la
maintenance.
1
1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
La technologie IRM est basée sur un principe physique qui consiste à
observer la résonance nucléaire des protons d’hydrogène (la RMN).
Le corps humain étant constitué de 70% de molécules d’eau (H2O), les
protons 1H y sont majoritairement abondants.
L’observation de la RMN fournit alors un signal dépendant de la
concentration en eau pour permettre d’obtenir une image de la
répartition de H2O dans le corps humain.
Le signal dépend aussi du temps de relaxation des spins nucléaires qui
pourra être diminué grâce à des agents de contrastes afin d’augmenter
l’intensité.
1.1 Principe physique : Résonance magnétique nucléaire
La RMN utilise la propriété physique des noyaux atomiques à pouvoir
se comporter en dipôles magnétiques et donc de se diriger de façon
particulière à l’intérieur d’un champ magnétique. On appelle leur orientation, le
moment magnétique.
Seuls les noyaux d’atomes où le nombre de
nucléons, A ne correspond pas au double du nombre de
protons,
Nz, (par exemple le fluor où A=19 n’est pas égal à
2* (Nz=9) ou encore le sodium, A=23 et Nz=11) peuvent
être observés par la RMN car il faut un nombre de protons supérieur aux
nombres de neutrons.
En effet, ceux-ci s’orientent dans la direction opposée à celle
des protons ce qui annulent leur moment magnétique. Ainsi, les
atomes de carbones (A=12=2*(Nz=6)) ou d’oxygènes
(A=16=2*(Nz=8)) ne sont pas détectables par RMN. L’atome
d’hydrogène est détectable puisqu’il ne contient aucun neutron.
Son moment magnétique est donc différant de 0. Celui-ci est
représenté par un vecteur d’aimantation microscopique µ
aligné sur son axe de rotation (lui-même lié au moment
cinétique). Dans la nature, chaque noyau d’hydrogène se
comporte alors comme un petit aimant d’orientation aléatoire
dans 3 dimensions.
2
1.1.1 Magnétisation
Afin d’orienter les noyaux d’hydrogènes,
l’imagerie par résonance magnétique requière
l’utilisation d’un aimant important.
Généralement entre 0.5 et 3Tesla (le Tesla est
l’unité permettant de mesurer l’intensité d’un champ
magnétique ; 1.5 Tesla = 30000*le champ magnétique
terrestre).
Celui-ci doit avoir une intensité élevée afin d’améliorer le rapport signal
sur bruit qui parasite l’image. Le champ magnétique B0 doit rester stable dans
le temps. De plus, il doit être d’une importante homogénéité l’intérieur du
tunnel de 60cm environ
Le minimum de l’homogénéité requit doit être de 0.2
parties par millions à l’intérieur d’une sphère de 36cm de
diamètre pour que le constructeur puisse commercialiser
ses IRM dans la plupart des pays.
On utilise alors des aimants SUPRACONDUCTEURS. La
supraconductivité est la propriété appartenant à certains alliages lorsqu’ils
sont soumis à une température proche du zéro absolu, à perdre leur résistivité
et donc d’éviter l’élévation de la température provoquée par le passage d’un
courant électrique. L’aimant utilisé en IRM se constitue d’une bobine de
Niobium Titane (Nb-Ti) baigné dans de l’hélium liquide soit refroidi aux environ
de -269°C pour assurer l’état supraconducteur.
La résistance électrique devenant nulle, le constructeur peut alors
augmenter considérablement l’intensité du champ magnétique en utilisant un
fil de petite section pour éviter l’augmentation du poids de la machine et
permettre l’augmentation de l’homogénéité du champ dans le tunnel grâce au
rapprochement des enroulements du bobinage ce qui n’était possible avec un
simple aimant résistif.
1.1.2 Interet du gaz :
L’hélium liquide doit être protégé de l’élévation de la chaleur qui le ferait
passer à l’état gazeux et engendrerait la perte de la supraconductivité et
l’augmentation de la pression
3
(Lorsque la pression dépasse un certain seuil, une soupape de sécurité libère
l’hélium dans l’atmosphère causant une perte financière non négligeable). Afin
d’éviter ce type d’accident nommé « QUENCH »,
La bobine est encastrée dans une matrice en cuivre servant de puit de
chaleur. Un écran refroidisseur par circuit d’air ou par eau glacée entoure la
matrice pour aider l’hélium liquide à rester à très basse température.
Le système est ensuite enveloppé dans un espace vide permettant de réduire
au maximum les surfaces de contact avec la chaleur extérieure. L’IRM ainsi
isolée devient peu sensible aux variations de température ambiante.
1.1.3 Mouvement des protons :
Soumis à un champ B0, la direction des
protons n’est plus aléatoire. Une majorité
des protons s’oriente dans le sens du
champ (sens parallèle) et les autres dans
le sens inverses (sens antiparallèle). (Il y
en a 4 dans le sens du moment
longitudinal ML et 2 dans le sens inverse
sur ce schéma tiré de irm-facile.net).
Les protons se mettent alors à tourner autour de l’axe du champ B 0 à une
fréquence f0=B0/2 nommé fréquence de Larmor (, rapport gyromagnétique,
soit 4257Hz/T). On appelle cette étape la précession.
PROTON
SENS
PARALLELE
N
B0
N
SENS
ANTIPARALLELE
ML
Note : À l’intérieur d’un champ magnétique de 1T et pour une population de 1
millions de protons, il y a seulement 2 protons de plus dans le sens parallèle qu’il
y a de protons dans le sens antiparallèle. Le champ magnétique des autres
protons s’annule. La résultante de l’aimantation ML est infiniment petite.
4
Lors de l’absence
de fréquence radio,
les protons tournent
autour de B0 de
façon aléatoire
annulant ainsi tout
vecteur magnétique
non parallèles.
N
N
B0
N
N
ML
1.1.4 La résonance
Afin d’augmenter ML, on envoie perpendiculairement à l’axe de rotation
des protons, un signal sinusoïdal hertzien de fréquence égale à la fréquence
de Larmor pour mettre en phase la rotation des protons.
N
N
N
B0
N
N
N
MR
Pendent l’envoie de la radio fréquence, il y a toujours autant de protons
dans le sens parallèle mais tous les protons tournent en phase. Il en résulte
un vecteur magnétique instantané perpendiculaire à B0 soit MT. La résultante
MR devient alors la somme des 2 vecteurs. Son amplitude magnétique
augmente et le champ tourne avec les protons sur l’axe de B0 formant un
cône.
Aimantation due au nombre de protons
parallèles (soit ML)
B0
ML
MR
MT
Aimantation résultante de la mise en
phase des rotations (en 3D, MT tourne
autour de B0)
Aimantation résultante de MT et ML (soit
MR )
A la fin de l’impulsion de fréquence, MT et MR sont confondue car MT>>
ML. MR est alors en rotation perpendiculairement à B0.
5
1.2 Réception et traitement du signal
Afin de tirer profit de la résonance électromagnétique, il est
nécessaire de capter puis de traiter le signal
1.2.1 La relaxation
A l’arrêt de l’impulsion, les rotations des protons
se déphasent rapidement et chaque proton retourne à
leur état d’équilibre. Le vecteur MT décroisse lentement,
jusqu’à la réapparition de ML initial.
Temps de relaxation de milieux biologiques
À 1.5 Tesla, 37°C :
C’est le temps que met le champ magnétique pour passer de l’état instable à l’état initial qui
fournit l’information sur matière où sont situés les protons.
MT indique la densité d’hydrogène de la coupe.
L’IRM est alors dotée d’antennes réceptrices qui lui permettent de capter la vitesse de
retour des protons à l’état initial.
Il y a plusieurs possibilités de traitement du signal de réception :
-
Le mode T1. Le dispositif détecte le temps écoulé entre la fin de l’impulsion et la
réapparition de 63% de ML initial.
-
Le mode T2. Le dispositif mesure une période plus courte : le temps écoulé entre
l’arrêt de l’impulsion et la diminution du vecteur MT en dessous de 37%.
T1 en ms
Eau
LCR
Muscle
Graisse
Foie
Substance
blanche
Substance
grise
T2 en ms
3000
2500
800
200
500
1500
1000
45
75
45
750
90
850
100
C’est de ces temps
que l’ordinateur
sait quelle
« matière » est a tel
ou tel point et
reconstitue
l’image !
6
1.2.2 Les capteurs : les antennes de réception
Principe :
Les antennes détectent les variations de l’intensité du champ magnétique. Ce
sont des enroulements de cuivre. Les variations magnétiques sont
transformées en courant électrique par induction. Les bobines sont adaptées
pour recevoir des fréquences proches de la fréquence de Larmor qui
provoque les variations de champ.
-Champ magnétique tournant, due
à la rotation des protons
S
N
-Bobine servant d’antenne afin de
capter le signal. Création d’un
courant électrique de fréquence
égale à la vitesse de rotation.
Signal :
Le signal ci-contre est un exemple de
signal capté par les antennes.
Les pseudo fréquences sont de la
fréquence de Larmor : chaque pseudo
période correspond à un tour des protons
d’hydrogène.
T dépend de la substance dans
laquelle se situe l’hydrogène
A t=0, protons et B0 sont perpendiculaires
entre eux d’où un signal d’amplitude
maximal. Exponentiellement, ils deviennent
parallèles. Le champ magnétique MT
résultant chute. Les bobines produisent
alors un courant de plus en plus faible.
Les antennes doivent capter le meilleur signal. Elles sont alors placées
le plus proche possible de la zone à analyser car l’éloignement est un
facteur qui fait perdre de l’intensité au signal.
7
Différents types d’antennes :
L'antenne tête : il s'agit d'une antenne émettrice
réceptrice ou réceptrice simple. Il s'agit d'une antenne
modulaire de diamètre de 25 à 30 cm qui est adaptée à
l'exploration de l'encéphale mais peut également être
utilisée pour l'exploration comparative des extrémités
chez l'adulte ou de l'abdomen des jeunes enfants.
Neurovasculaire : Elle couvre une large région
anatomique pour une exploration de la tête, du cou ou de
l’ensemble tête cou. Cette antenne a été conçue pour
réaliser des examens avec un excellent rapport signal sur
bruit et une très haute résolution.
Applications : Cerveau, Tronc cérébral, Hypophyse,
Carotides, Polygone de Willis, CAI, Rachis cervical,
Orbites, Plexus brachial
L'antenne Rachis : comporte plusieurs bobines
combinées électroniquement en différentes zones
de réception pour une couverture optimale du
rachis cervical, dorsal et lombaire. La longueur
totale couverte permet l'examen du rachis entier.
Elle permet une pénétration en profondeur pour
améliorer la qualité de l’image.
L'antenne genou : il s'agit d'une antenne émettrice
réceptrice ou réceptrice simple. Il s'agit d'une
antenne modulaire de 22 cm de diamètre. Elle est
adaptée à l'exploration du genou, mais aussi du pied
et de la cheville.
L'antenne corps : il s'agit d'une antenne émettrice réceptrice, elle est située
autour du tunnel de l'aimant. Elle n’est donc pas visible sur une installation en
utilisation mais il est possible de la visualiser au cours des maintenances. Son
diamètre est à peu près de 60 cm. Elle permet l'étude de régions anatomiques
étendues allant jusqu'à 50 cm de long.
8
Rôle des capteurs : antennes
Comme nous l’avons cité précédemment, le champ magnétique B 0 est
constant. Le signal relevé par la bobine est alors la somme des fréquences
émises par l’ensemble des protons. Or les protons oscillent tous à la même
fréquence du fait de leur fréquence de Larmor à un B0 donné.
Il est alors physiquement impossible de distinguer l’emplacement exact
de chaque proton lors de la prise instantané de l’image.
L’image devrait être réalisée
point par point, donc petits
ensembles de protons par
petits ensembles de protons. Il
faudrait alors réaliser un
nombre important de détection
pour relever le maximum de
points. L’examen deviendrait
ainsi d’une durée trop
importante.
Pour remédier à ce problème, chaque détection relève une ligne
complète grâce à l’ajout au champ B0 d’un deuxième champ magnétique
(gradient de champ GX) qui n’est plus constant dans chaque point du tunnel
mais linéaire comme ci-dessous.
B0
GX
Le signal relevé est toujours la somme des signaux émis par
chaque proton mais il est composé de plusieurs fréquences dues à l’écart
des protons dans l’espace car elles dépendent de l’intensité du champ
magnétique : fP=B0+GX)/2
Il est alors possible de décomposer le signal à l’aide de la transformée
de Fourier puis de retrouver l’emplacement initial de chaque point sur la ligne
car la distance antenne proton dépend maintenant de la fréquence.
9
1.2.3 analyse du signal :
Le signal est ensuite traité au moyen d’électronique
Le signal est traité par toute cette chaîne :
Signal analogique
CAN
Traitement électronique
informatique
Reconstitution visuelle
-
Faite par informatique très puissante
La reconstruction de l’image se fait à l’aide de logiciels informatiques
analysant les signaux reçus des antennes. Ceux-ci doivent être relativement
rapide pour fournir jusqu’à 150 images sur 8 bits en un temps écourté.
Après avoir séparés les différentes fréquences constituant les signaux
à l’aide de séries de Fourier, le logiciel replace chaque point à sa place
respective sur une image au format qui fournit le plus d’information sur la
partie du corps analysée.
L’image est alors mise en forme par la personne chargée d’assurer la
séance en fonction de la demande des médecins.
10
2. IRM EN MILIEU MEDICAL
2.1 mise en place d’une IRM
Tout comme les autres appareils d’imagerie comme la radio ou le scanner,
l’IRM est soumis à certaines contraintes.
2.1.1 Installation au sein du service :
L’IRM est donc installe selon le schéma suivant :
Données
Comme nous l’avons expliqué l’IRM est constituée d’un énorme aimant
ce qui impose de grosses contraintes magnétiques lie a son installation.
On trouve donc les signes suivants :
Champ électromagnétique, Rayonnements
non ionisants
Champ magnétique important
11
2.1.2 La Cage de farradet :
On voit sur la photo suivante l’installation d’une IRM dans sa cage :
Elle doit être en effet isole magnétiquement (cage de farradet, une grande
cage métalliques) pour éviter toutes perturbations magnétiques avec
l’extérieur
L’IRM peut crée un champ magnétique pouvant aller jusqu'à 3Teslas (10
teslas pour des prototypes)
Les IRMS que nous avons vu faisaient 1 et 1.5 teslas soit 30000 fois le
champ magnétique terrestre
Des prototypes atteignent aujourd’hui 10Teslas.
12
2.1.3 Danger liés au magnétisme
Avec un champ magnétique si puissant, il est donc hors de question de
prendre des risques avec des objets métalliques qui pourrait endommager la
machine ou même le patient.
On le voit notamment sur cette photo :
Une chaise a été laisse par mégarde a cote de l’IRM
par un technicien
Après extraction …
Les techniciens ainsi que le personnel médical se doivent donc être de la plus
grande vigilance pour ne pas endommager une machine de plusieurs millions
d’euros.
En Maintenance :
Le technicien doit donc faire très attention lors de la maintenance si
l’IRM est en « action » => présence du champ magnétique
L’utilisation de certains outils métalliques est donc prohibé pour ne pas
DETRUIRE L’IRM.
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2.2 Déroulement d’un examen
Passer une IRM est sans danger (pour le moment) mais il doit se
dérouler sous plusieurs règles et en plusieurs étapes.
2.2.1 Précautions :
Comme le champ magnétique présente des risques pour le matériel,
agissant comme un aimant, il présente également de gros risques
pour le patient mais également pour le technicien ou n’importe
personne voulant rentrer dans la salle d’examen:
Enlever tout objet métallique :
-
Pièces de monnaies
bijoux, ceinture … etc.
Enlever les cartes magnétiques :
-
Cartes bancaires
tickets de bus
On doit ensuite répondre a certains critères, ne pas porter de :
-
stimulateurs cardiaques
pompe à insulines
divers implants métalliques
ne pas avoir reçu de projections métalliques récemment dans les yeux
ou autres
Le patient ne doit pas être également :
-
claustrophobe
ne pas être trop corpulent (le diamètre du tube fait 60cm)
ne pas être allergique au produit de contraste (gadolinium)
14
2.2.1 L’examen en plusieurs étapes :
Installation :
Passe ces précautions, le patient peur donc aller s’installe sur la table
D’examen :
Injection :
Il se voir injecter un produit de contraste : le Gadolinium, Gd, 64
qui permet également un déphasage angulaire plus rapide des protons (voir
principe de fonctionnement)
Toxique de nature pour l’organisme il est combiné à
d’autres produits.
Afin de mieux révéler certaines zones, on en injecte une dose différente selon
le poids du patient :
La dose injectée par intraveineuse est de 0.2ml/kg soit :
- 12ml pour une personne de 60Kg
- 20ml pour une personne de 100Kg
Il est contre-indiqué chez les femmes enceintes.
15
Sur ces images, nous voyons son intérêt :
Sans gadolinium
Avec gadolinium
Pose de l’antenne :
Lorsque l’on veut une image précise d’une partie du corps en particulier
(comme de la tête ci-dessus) on utilise une antenne réceptrice des radios
fréquences émises par les atomes d’hydrogènes (voir fonctionnement)
Il en existe plusieurs types selon les parties du corps à examiner, thorax,
genou, épaules, etc. …
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Fin de l’examen :
L’infirmière se dirige alors hors de la salle d’examen et commence à définir les
réglages sur son ordinateur.
Réglages, visualisations …
L’examen va donc durer environ :
15mn à 30mn
Le patient ne devra donc pas bouger durant toute la durée. Il a
également la possibilité d’avoir un casque insonorisant,
L’aimant de l’IRM pouvant être assez bruyant. On
communique avec le patient au moyen d’un micro
La prise de l’image se fait en plusieurs étapes à l’image d’un scanner
classique utilise pour scanner des documents :
1- une prévisualisation
2- on définie une zone en jouant avec les plans de coupe
3- l’IRM donne une image très détaillée .bmp sur l’ordinateur qui
peut être ensuite transmise dans le service
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L’IRM est sans danger (ou alors n’a pas été encore démontré), il n’y a pas de
contre-indications sur la quantité de rayonnement magnétique.
Tarif :
Le coût pour passer une IRM est d’environ 600€ par patient, remboursé par la
sécurité sociale.
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3. OPERATIONS DE MAINTENANCE :
L’IRM est certainement une des machines les plus complexe que l’on
peut rencontrer aujourd’hui.
C’est pourquoi la maintenance des IRM est entièrement délègue au
constructeur qui connaît parfaitement son produit.
Au cours de ce projet, nous avons pu rencontrer un technicien spécialise dans
les IRMs. Il s’occupe de la maintenance des IRM de marque GE (général
electrics). On a pu en apprendre un peu plus sur la maintenance des IRM
La Machine :
Prix brut : 1,3 Million d’Euros :
Maintenance : 150000€ (moyenne)
Travaux d’aménagements/installation : environ 150 000 Euros
3.1 Maintenance préventive
L’IRM étant une machine extrêmement coûteuse, la maintenance préventive
est donc très importante.
Durée moyenne de la maintenance : 48H
Mise a jour logiciel
Elle se fait à distance par le réseau téléphonique (ligne NUMERIS)
Le constructeur met a jour les différents logiciels utilisés par les manipulateurs
Contrôle de la qualité des clichés
Se contrôle sur le moniteur
19
Remise a niveau de l’hélium
Remettre a niveau les 2000 litres d’hélium permettant le
refroidissement est la maintenance préventive la plus
courante
3.2 Maintenance curative
En cas de problème, le technicien du constructeur doit dépanner rapidement,
il y a peu d’IRMs et il y a beaucoup de d’IRMs à passer par jour
Remise a niveau de l’hélium
Remettre a niveau les 2000 litres après un « QUENCH »,
*1 litre d’hélium = 10€ soit 20000€ pour le tout
Remplacement des antennes
Remplacement des antennes défectueuses
Remplacement des bobines
Les aimants supraconducteurs peuvent se dégrader lors d’un
QUENCH, il est donc nécessaire de les changer.
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CONCLUSION :
L’étude de l’imagerie par résonance magnétique nous a permis d’approfondir nos
connaissances des technologies d’exploration du corps humain et d’analyser
l’efficacité de ce nouveau procédé.
Il apparaît nettement qu’avec les progrès techniques apportés
ces dernières années, la qualité des images d’IRM est
supérieure à celle apportée par l’usage de scanners ou
d’échographies. En effet, l’examen étant reconnu comme non
dangereux pour la santé quelque soient les réglages, on peut
examiner sans risque, un patient pendant un temps
relativement long pour améliorer les résultats contrairement au
scanner. De plus, le système peut être utilisé dans de
nombreux cas de défaillance du corps humain.
Cependant la durée d’un examen pouvant dépasser trente minutes, impose au
patient de rester inconfortablement immobile durant cette période pour certaines
pathologies. De plus, l’examen est interdit aux personnes possédant un pacemaker
ou d’autres systèmes invasifs.
En outre, les coûts d’investissement et de maintenance d’un dispositif d’IRM
représentant une dépense supérieure à une installation de scanner, beaucoup de
centres hospitaliers ou cliniques ne peuvent bénéficier des apports de cette
technologie.
Dans un futur proche, le développement permettra de réduire les temps des
examens tout en fournissant des qualités d’images supérieures pour augmenter la
précision des diagnostics médicaux. Les coûts avoisineront ceux des scanners.
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