5. Résonance Magnétique: principes de base, appareillage

5. Résonance Magnétique: principes de base, appareillage
Types de rayonnements et grandeurs physiques
Si les techniques d'imagerie par rayons X (radiographie et TDM) utilisaient comme facteur de
contraste entre les tissus de l'organisme les propriétés de l'atome (pouvoir absorbant,
densité électronique), l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) utilise quant à elle les
propriétés du noyau de l'atome. D'où le terme de Résonance Magnétique Nucléaire pour
désigner la technique de base utilisée. On a aujourd'hui tendance à gommer le terme «
nucléaire » car il fait peur au public. Pourtant il est important de comprendre que cette
technique diagnostique n'a rien d'une technique irradiante (au sens de « produisant des
radiations ionisantes dangereuses ») et n'a rien à voir avec le « risque nucléaire » auquel on
pense en voyant une centrale nucléaire. ll eût sans doute mieux valu expliquer le terme au
grand public pour contribuer à démystifier le noyau de l'atome plutôt que de le faire
disparaître dans l'appellation courante IRM.
En réalité c'est plus précisément le noyau de l'atome d'hydrogène (de loin le plus abondant
dans notre corps) qui servira de base à l'imagerie clinique courante.
Ce noyau est constitué d'un seul et unique proton, porteur d'une charge positive (H+). Le
noyau d'hydrogène est en rotation rapide. Les lois de l'électromagnétisme nous disent qu'une
charge électrique en mouvement génère un champ magnétique. Effectivement, à chaque
noyau d'hydrogène est associé un petit vecteur de champ magnétique, le moment
magnétique de spin. Lors de l'introduction du corps dans un champ magnétique puissant, les
moments magnétiques des milliards de protons vont s'aligner selon l'axe nord-sud de l'aimant
qui produit ce champ. Certains s'aligneront dans la même direction (parallèles), d'autres dans
la direction opposée (antiparallèles). D'autre part, comme une toupie dans le champ de
gravité terrestre, le proton va présenter un mouvement de précession autour de l'axe du
champ magnétique appliqué. Cette précession se fera à une fréquence caractéristique
appelée fréquence de Larmor, donnée par
où Bo est le champ magnétique externe appliqué (en pratique de 0.2 à 2 Tesla en imagerie
clinique), et y le rapport gyromagnétique, une constante dépendant du noyau étudié.
La figure 24 illustre ces phénomènes. Il se fait que la position antiparallèle est à plus haute
énergie et il existe donc un petit excès de protons qui sont alignés dans le sens parallèle
(puisque la thermodynamique nous apprend que le système va tendre à l'équilibre vers une
situation de moindre coût énergétique). Dès lors il en résulte une aimantation nette,
macroscopique, de l'objet étudié. En donnant de l'énergie sous forme de radiofréquences,
nous détruisons cet équilibre, nous « excitons > le système en faisant passer des noyaux en
position antiparallèle. Le système va ensuite revenir à l'équilibre en libérant de l'énergie sous
la même forme: à savoir des ondes de radiofréquence qui seront recueillies par une
antenne. A partir de là le traitement numérique du signal via le système informatique se
rapproche de ce qui a été présenté pour la TDM.
Figure 24 Les bases et les différentes étapes de l'imagerie par résonance magnétique
nucléaire (IRM): 1) le noyau d'hydrogène chargé positivement tourne sur lui même en
générant un petit vecteur de champ magnétique m; 2) en l'absence d'un champ magnétique
extérieur significatif, ces vecteurs magnétiques individuels sont orientés dans tous les sens et
la magnétisation nette est nulle; 3) en présence d'un aimant puissant les vecteurs s'alignent
sur le champ B0, certains dans une direction, les autres dans l'autre direction; 4) de plus les
petits moments magnétiques font un mouvement dit de précession autour de l'axe du champ
magnétique appliqué (comme une toupie autour de l'axe de la force gravitationnelle) à une
fréquence angulaire 5) il résulte du minime déséquilibre entre noyaux orientés de façon
parallèle ou antiparallèle une magnétisation globale du corps M, macroscopique, parallèle au
champ magnétique appliqué; 6) si o n excite les noyaux d'hydrogène du corps avec une onde
de radiofréquence à la fréquence v, on fera diminuer cette magnétisation globale en faisant
passer plus de noyaux en position antiparallèle; 7) lors du retour à l'équilibre appelé
RELAXATION, les noyaux émettent de l'énergie sous la même forme d'ondes radio que nous
récupérerons dans l'antenne réceptrice; cette relaxation se fait avec des constantes de temps
T1 et T2; le signal mesuré est décodé sur le plan des fréquences et subit des transformations
mathématiques (transformées de Fourrier) pour finalement donner une image.
Champ magnétique statique
Ce champ est généré par un aimant puissant, le plus souvent cylindrique, généralement
supraconducteur (c'est-à-dire que le fil de la bobine d'induction est mis à très base
température, où la résistance au courant est quasi nulle). Dans les appareillages actuels
utilisés en clinique il mesure de 0.2 à 2.0 Tesla (le Tesla est une unité de mesure de champ
magnétique). Le champ statique n'a pas d'effet biologiques connus. Par contre il est
générateur de danger au niveau du site d'IRM: cet
aimant puissant va attirer très fortement les objets
métalliques ferromagnétiques qu'on amènera à
proximité. Ceci explique les précautions
considérables qu'il faudra prendre pour ne pas
rentrer dans la salle avec des objets métalliques
mobiles qui pourraient devenir autant de
projectiles.
Figure 25 : Antennes de radiofréquences
Figure 26 Schéma d’un aimant cylindrique supraconducteur et aspect
Impulsions de radiofréquences, phénomène de résonance
Une antenne émettrice va émettre des ondes radio à une fréquence égale à la fréquence de
précession du proton (fréquence de Larmor). C'est la condition nécessaire pour que le
phénomène de résonance se produise et pour que donc de l'énergie soit transférée au
système (excitation). Ensuite on mesure, toujours avec une antenne (c'est parfois la même),
l'énergie libérée par le système lors du retour à l'équilibre et qui sera émise sous forme
d'ondes radio toujours à la même fréquence. Les caractéristiques de durée de la phase
de retour à l'équilibre (relaxation) sont différentes selon les tissus du corps, et entre
les tissus sains et pathologiques; les constantes de temps sont le T1 et le T2. Ces
paramètres vont générer des contrastes, donc une image.
Gradients et encodage spatial
Pour savoir qu'un signal détecté par notre antenne réceptrice vient d'un endroit précis du
corps et donc pour que notre ordinateur puisse nous sortir une « carte » de la relaxation des
protons, il faut mettre des repères dans l'espace. On le fait en provoquant une variation de
l'intensité du champ magnétique dans une faible proportion mais dans toutes les directions.
On introduit donc des gradients de champ qu'on produit â l'aide de petites bobines spéciales
judicieusement positionnées. C'est ce qu'on appelle « encodage spatial ». Comme la
fréquence de résonance (v) dépend du champ il y aura de petites différences de fréquence
d'un point à l'autre du patient; et donc en faisant un spectre des fréquences on aura une
information sur la localisation dans l'espace des signaux perçus.
Séquences d'impulsions
Il faudra combiner au cours du temps les impulsions de fréquence radio destinées à exciter
le système et l'application des gradients destinés à faire l'encodage spatial, et ce' de
manière à ce que le signal mesuré soit optimal. Cette combinaison complexe s'appelle
séquence d'impulsions. La séquence la plus connue est la séquence dite « d'écho de spin »
(spin echo). Sans rentrer dans le détail, disons que le changement de séquence peut
amener des images extrêmement différentes de la même région du corps. Certaines images
seront plus influencées sur le plan des contrastes par la valeur T 1, d'autres par la valeur T2,
d'autres en%n par la densité de noyaux d'hydrogène (leur nombre par unité de volume) ou
par les mouvements (comme le sang circulant).
Les contrastes dans l'image
Les facteurs influençant le contraste de l'image peuvent être:
x
la valeur de T1 (temps de relaxation longitudinal)
x
la valeur de T2 (temps de relaxation transversal)
O
x
la densité de noyaux d'hydrogène dans le tissu
x
le flux
Les trois premières valeurs sont les plus importantes pour déterminer les contrastes utiles
en clinique. Le poids de ces différents facteurs de contraste varie dans l'image selon la
séquence d'impulsions choisie.
Spectroscopie in vivo
La Résonance Magnétique Nucléaire était au départ une technique d'analyse chimique
utilisée au laboratoire. L'environnement chimique, moléculaire, des atomes (hydrogène,
phosphore 31, fluor 19, carbone 13) entraîne de petites différences de fréquence de
résonance. Ceci permet en étudiant non pas des images mais des spectres
de fréquence (voir exemple figure 25), de tirer des conclusions sur la composition chimique
d'une solution. Cette spectroscopie, avec des champs magnétiques de plus de 1 Tesla, peut
se faire en clinique, in vivo, en ciblant une région d'intérêt dans le corps. Il s'agit de
méthodes encore aujourd'hui expérimentales mais qui pourraient dans l'avenir s'avérer utiles
en routine clinique.
Figure 27 Spectre proton d’une métastase cérébrale, obtenu in vivo ;NAA= n-acetyl-aspartate ; Cho= Choline, Cr= Créatine ;
un pic assez large est visible vers –1.3 ppm et correspond à des lipides, produits de dégradation des membranes dans cette
tumeur.
Figure 28 Imagerie spectroscopique d’une lésion
cérébrale (métastase irradiée et opérée). La zone
rouge correspond à une zone où le rapport Choline
/ N-acétylaspartate est élevé. Elle pourrait
correspondre à une zone de récidive au milieu
d’une lésion nécrotique.