I.R.M et R.M.N de Bourgogne

Benjamin
BARTHOD-MALAT |
Cécile BRÜTT |
Floriane LEBLOND
I.R.M et R.M.N de
Bourgogne
2011-2012
Avec l'aide de MM. BARTHES et
LANGLOIS,
Lycée Gustave Eiffel, Dijon

Sommaire
I.] La Résonance Magnétique Nucléaire
1. Notre point de départ : la visite de l'Université de Dijon page 2
2. Une première expérience de démonstration
a. Le champ magnétique principal page 4
b. L'analogie proton-aimant page 6
c. La bobine réceptrice : à la découverte de l'induction page 7
d. La réponse du proton : excitation et relaxation page 8
3. L’influence de l’environnement : comment expliquer un spectre RMN ?
a. L’influence de l’intensité du champ B0 page 10
b. Vers une interprétation d’un spectre RMN page 11
c. Interaction des noyaux « muets » page 12
d. Influence du couplage page 13
e. Particularité à basse température page 13
II.] L'Imagerie par Résonance Magnétique
1. Principe global page 16
2. Gradient de champ page 17
Bibliographie page 20
Remerciements page 20

A la suite d'une visite à la faculté de Dijon, nous nous sommes demandés s'il était possible
d'expliquer simplement le principe de résonance magnétique nucléaire en le modélisant, et s'il était
envisageable d'utiliser ce principe pour réaliser une acquisition IRM à notre tour.
M. BARTHES, enseignant en lycée Eiffel, nous a alors convaincu du participer à des
concours scientifiques sur ce thème. ..
I.] La Résonance Magnétique Nucléaire
1. Notre point de départ : la visite de l'Université de Dijon
Grâce à notre professeur de physique-chimie de seconde, M. Nancey, nous sommes
intéressés à la physique quantique et nous avons eu la chance de pouvoir visiter les
installations de RMN de l'université de Dijon.
Courant novembre 2010, nous sommes allés visiter le laboratoire du docteur Michel
Picquet à l'Institut de Chimie Moléculaire de l'Université de Bourgogne (Icmub). Pour
satisfaire à ses thèmes de recherche, il utilise quotidiennement des appareils dont le
fonctionnement est basé sur la résonance magnétique nucléaire et qui lui permettent
d'obtenir, après traitement par transformée de Fourier, des spectres similaires à celui
donné ci-dessous. Ces derniers lui permettent de déterminer les structures des molécules
synthétisées. D'autres techniques existent : l'imagerie infrarouge, la spectrométrie de
masse, la diffraction des rayons X.
Il nous a expliqué que la réponse des noyaux dépend de l'environnement dans
lequel ces derniers se trouvent ; grâce à des tables existantes, il est possible de
déterminer, en fonction de la réponse, l'environnement dans lequel se trouve le noyau. On
peut donc aboutir à une reconstitution de la structure de la molécule.
Il a également évoqué la notion de moment gyromagnétique, ce dernier étant créé
par le mouvement de rotation du noyau sur lui-même. On peut également l'appeler spin
(to spin = tourner) et se le représenter comme un vecteur.
Dans les faits, le champ magnétique principal intense est produit à l'aide de
supraconducteurs, c'est-à-dire de conducteurs qui n'ont quasiment aucune résistance. Cela
se concrétise par l'absence d'alimentation électrique pour ce champ puisque les 84
ampères d'intensité circulent dans la bobine sans aucune perte depuis l'installation des
machines.
Ces dernières avaient l'aspect de cuves gigantesques ; pourtant, la bobine supra-
conductrice est d'une taille minime par rapport à la machine dans son ensemble. Cela
s'explique par la présence, autour de la bobine, de deux couches de liquides de
refroidissement : les matériaux utilisés ne sont supra-conducteurs qu'à très basse
température, d'où la présence d'une première enceinte d'hélium liquide (4 K) et d'une
deuxième d'azote liquide (qui évite l'évaporation de l'hélium liquide très coûteux). Ces
fluides cryogéniques sont remplacés à hauteur de 2000 litres d'azote liquide par an et
environ 1000 litres d'hélium.
Nous étions en présence de trois appareils de tailles différentes. En effet chacun
avait un champ magnétique d'une intensité différente, allant de 7 à 14 Teslas. Ces valeurs
sont très importantes devant celle du champ magnétique terrestre, qui est de l'ordre de la

dizaine de microteslas. Des passeurs d'échantillons sont installés afin que les acquisitions
s'enchaînent 24 heures sur 24.
Dans le domaine de l'imagerie médicale, les champs magnétiques mis en places ont
au maximum une intensité de 3 teslas ; la différence est dans la résolution. En effet, la
précision utile pour repérer une tumeur ou une zone cancéreuse dans le corps humain
(échelle macromoléculaire) est largement moindre à celle utile pour comprendre comment
s'organisent les éléments dans une molécule.
Au-delà de l'explication théorique, M. Picquet nous a fait travailler à notre tour et
réaliser une vraie RMN.
Nous nous sommes heurtés au problème des isotopes « silencieux » : par exemple,
le carbone 12, qui est le plus répandu dans la nature, n'a pas de spin puisque son nombre
de protons est pair. Par conséquent la RMN du carbone se base sur le carbone 13, qui est
beaucoup moins répandu (1,1%). Donc sur un échantillon présentant cent atomes de
carbone, en moyenne, seul un répondra. Cela oblige les chercheurs à travailler sur des
quantités plus importantes de matière, de vingt à trente fois plus importantes que dans le
cas de la RMN de l'hydrogène, où l'isotope le plus répandu a un spin. Mais dans ce cas, le
solvant ne doit présenter aucun atome d'hydrogène car ce dernier répondrait et fausserait
les résultats : nous avons donc utilisé du chloroforme deutérié CDCL3 où les atomes
d'hydrogène avaient été remplacés par des atomes de deutérium.
La durée d'acquisition dépend de la quantité de matière à analyser, mais également
de la nature des noyaux que l'on va faire répondre. En effet, la réponse du carbone 13 est
6000 fois moins intense que celle de l'hydrogène.
Nous avons étudié le méthanol, l'éthanol et l'isopropanol.
Cette visite nous a permis de constater que le principe physique auquel nous nous
intéressons pouvait être exploité pour connaître la structure de molécules bien plus
compliquées que l'éthanol.
Photographie et vue en coupe d'un spectromètre RMN.

2. Une première expérience de démonstration
a. Le champ magnétique principal
La première étape a été de reproduire le champ magnétique principal utilisé en
RMN pour orienter tous les spins. Celui-ci doit être assez puissant, mais également
homogène. Ainsi, nous nous sommes intéressés à plusieurs types de bobines pour choisir
celle qui répond le plus à nos besoins. Nous avons tout d'abord mesuré le champ à
l'intérieur d'un solénoïde. Il s'est avéré constant, mais la forme de la bobine ne convenait
pas pour la réalisation de nos mesures.
Comme le montre le schéma ci-après, les lignes de champ créées par une bobine
simple s'incurvent immédiatement hors de la bobine : la zone où le champ magnétique est
homogène (dans le rectangle bleu) est très restreinte et cela ne convient pas pour aligner
plusieurs aimants sur une zone étendue.
Finalement, nous avons opté pour deux bobines de Helmholtz : ce sont deux bobines
plates identiques, séparées par une distance égale à leur rayon et qui ont la particularité
de générer un champ magnétique constant et homogène dans la surface qui les sépare.
Représentation des lignes de champ magnétique entre deux bobines de Helmholtz