Biophysique - Introduction à l'IRM

Chapitre I : Introduction à l'IRM

1. Généralités

La RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) et l'IRM (Imagerie par Résonance Magnétique) sont basées sur le même phénomène. L'IRM est une technique non ionisante et fonctionne dans le domaine des radiofréquences (RF), entre 10 MHz et 900 MHz. Elle est utilisée en chimie (spectroscopie), agroalimentaire et, depuis les années 1980, en médecine et biologie.

Deux outils nécessaires :

• Aimant : Il produit un champ magnétique statique (B₀), puissant et homogène, de l'ordre du Tesla. Il doit être homogène pour éviter les interférences avec les champs extérieurs. Les objets métalliques sont interdits lors de l'examen.

• Antenne : Elle agit comme émetteur et récepteur de RF, souvent le même appareil, et utilise des fréquences de l'ordre de plusieurs MHz.

Fréquence de Larmor :

La fréquence de Larmor (f₀) est la fréquence à laquelle le patient est irradié. Elle est directement proportionnelle au champ magnétique :

f₀ = (γ / 2π) * B₀
(γ : rapport gyromagnétique du noyau en rad.s⁻¹.T⁻¹)

L'équation de Larmor est :

ω₀ = γB₀
(ω₀ : fréquence angulaire en rad.s⁻¹)

Chapitre II : Principes Physiques de la RMN/IRM

1. Modélisation simplifiée des noyaux

Propriétés magnétiques des noyaux :

• Les dipôles magnétiques et les spins sont interchangeables en termes de vocabulaire.

• Seuls certains éléments possédant des propriétés magnétiques uniques peuvent être utilisés en RMN ou IRM, les plus courants étant le ¹H (proton), le ¹³C, le ¹⁹F, le ²³Na et le ³¹P. Le proton est le plus étudié en raison de sa présence dans l'eau des tissus.

Moment magnétique (μ) :

• Les noyaux sont assimilés à des dipôles magnétiques, comme de petits aimants avec des lignes de champ reliant les pôles Nord et Sud.

• Chaque noyau possède un moment magnétique (μ) associé à ses propriétés magnétiques.

2. Comportement des noyaux avec ou sans champ magnétique

En l'absence de champ magnétique externe (B₀) :

• Les dipôles sont orientés au hasard.

• Ils tournent sur eux-mêmes de manière aléatoire.

• Le moment magnétique résultant (M) est nul, car les dipôles sont orientés dans toutes les directions.

En présence d'un champ magnétique externe (B₀) :

• Les dipôles s'orientent selon des orientations spécifiques par rapport à B₀ (qui est orienté sur l'axe Oz).

• Pour un proton, il existe deux orientations, correspondant à des énergies magnétiques différentes.

• Il y a un excès de dipôles dans le niveau de basse énergie (alignés avec B₀) par rapport à ceux du niveau de haute énergie (opposés à B₀). Cet excès est l'origine de l'aimantation macroscopique (M₀).

3. Phénomène de résonance : absorption d'énergie (excitation)

La résonance :

• La résonance se produit lorsque les dipôles sont irradiés par un rayonnement RF à la même fréquence que leur rotation (fréquence de Larmor). Cela permet aux dipôles de changer de niveau énergétique et les corps des patients chauffent légèrement.

• L'objectif est de modifier l'état d'équilibre des noyaux en les irradiant avec des RF de fréquence f₀.

Excitation : Irradiation par un champ RF :

• Une impulsion RF 90° (ou π/2) irradie les noyaux à la fréquence de Larmor.

• Les noyaux absorbent cette énergie RF et deviennent "excités".

• Après l'arrêt de l'irradiation RF, les noyaux libèrent cette énergie absorbée, un processus qui dure quelques secondes et permet de créer un contraste d'image.

Conséquences de l'impulsion RF à 90° :

• Elle égalise les populations de noyaux.

• L'aimantation devient transversale (Mₓᵧ = M₀) et n'est plus alignée avec le champ (M₂ = 0).

• Le vecteur Mₓᵧ précesse (tourne) dans le plan xy à la fréquence angulaire de Larmor. Cette précession génère un courant électrique détectable par l'antenne, qui est le signal RMN.

• L'impulsion RF 90° est appliquée par un champ magnétique B₁ orthogonal à B₀, délivré par la bobine RF (antenne).

Nutation de l'aimantation :

• La combinaison de l'impulsion RF et de la précession autour de l'axe Oz induit la nutation du vecteur M₀. La nutation est la bascule de l'aimantation dans le plan xOy, en tournant autour de Oz, avec un angle de nutation de 90°.

• L'aimantation macroscopique M₀, initialement longitudinale, devient transversale. Tant que l'impulsion RF est appliquée, la nutation continue.

4. Le signal RMN : relaxation

La relaxation :

• Lorsque l'impulsion RF 90° est terminée, la relaxation commence.

• Mₓᵧ précesse autour de l'axe z pendant une courte période.

• Il existe deux mécanismes de relaxation simultanés : T₁ (relaxation longitudinale) et T₂ (relaxation transversale), qui se produisent à des échelles de temps différentes. Le principal mécanisme de relaxation est lié à l'hétérogénéité du champ magnétique B₀, qui entraîne une perte rapide de l'aimantation macroscopique.

La relaxation T₂ :

• Appelée relaxation transverse, elle implique la désynchronisation des dipôles, qui ne tournent plus à la même fréquence en raison des hétérogénéités du champ B₀. Cette désynchronisation entraîne la disparition de l'aimantation transversale et du signal.

• La perte de signal (ou déphasage) dépend de l'hétérogénéité du champ B₀ et des interactions moléculaires au sein du tissu (T₂). Plus B₀ est hétérogène, plus T₂ est faible, et plus le signal disparaît rapidement.

• Le temps T₂ est de l'ordre de quelques dizaines de ms.

Interaction spin-spin :

• Les molécules d'eau se déplacent et interagissent différemment selon les tissus, créant des interactions magnétiques qui entraînent des pertes d'énergie.

• Le phénomène de "Flip-Flop" décrit le transfert d'énergie entre une molécule excitée et une non excitée.

Le signal FID (Free Induction Decay) :

• Le signal RMN est une sinusoïde amortie.

• Il est détecté par une antenne (bobine RF) placée perpendiculairement au plan transverse.

• L'aimantation Mₓᵧ induit un courant électrique dans la bobine.

• L'enveloppe de décroissance du signal FID dépend de la fonction exponentielle e⁻ᵗ/ᵀ²*.

• T₂* est le temps de relaxation transversale lié à la qualité du champ B₀. Plus le champ est hétérogène, plus T₂* diminue et plus le signal décroît rapidement.

La relaxation T₁ :

• Appelée relaxation longitudinale. T₁ est un temps caractéristique des tissus, de l'ordre de quelques secondes. Ce temps est plus long que T₂.

• Elle décrit le retour progressif de l'aimantation macroscopique à sa position initiale le long de l'axe Oz, c'est-à-dire le retour à l'équilibre.

• La perte d'énergie dans ce cas se fait entre les spins et le milieu extérieur, permettant le retour du vecteur d'aimantation à son état initial.

5. D'un point de vue énergétique

En l'absence de champ B₀ :

• Tous les dipôles sont à la même énergie.

Sous l'action du champ B₀ :

• Les niveaux d'énergie des dipôles se séparent. L'écart énergétique augmente avec l'intensité du champ.

Sous l'action de l'impulsion RF 90° :

• L'impulsion RF force les dipôles à précesser en phase, ils absorbent de l'énergie et accèdent à un niveau énergétique plus élevé, égalisant les populations.

À l'arrêt de l'impulsion RF 90° :

• Les dipôles qui étaient passés au niveau supérieur retombent au niveau inférieur.

6. Comment récupérer le signal après la relaxation ?

Problème :

• Le signal FID décroît trop vite en raison d'une forte dépendance à T₂*, ce qui le rend inexploitable.

• Il est nécessaire de prolonger le signal pour le mesurer plus facilement. Cela implique la création d'un écho de spin afin de supprimer la contribution de l'hétérogénéité du champ à la décroissance du signal.

L'écho de spin :

• Une impulsion à 180° (ou π) est appliquée après l'impulsion RF 90° pour rephaser les dipôles et récupérer le signal.

• Cette technique facilite l'acquisition du signal RMN et réduit temporairement l'influence de l'hétérogénéité de B₀.

• Un écho de spin est généré après l'impulsion 180°. Ce signal représente un nouveau contraste pour l'IRM (pondération T₂), qui ne dépend que des caractéristiques des tissus, rendant la mesure exploitable.

• L'écho de spin a une amplitude inférieure au premier signal.

• Le temps d'écho (TE) est le temps entre l'impulsion RF 90° et le centre de l'écho de spin (TE = 2τ, où τ est le temps entre l'impulsion RF 90° et l'impulsion 180°).

Refocalisation :

• Après la première impulsion RF 90°, l'aimantation bascule et les spins commencent à se désynchroniser. Les spins les plus rapides prennent de l'avance, et les plus lents prennent du retard. La perte de signal dépend de T₂*.

• L'application de l'impulsion 180° réoriente les spins : ceux qui étaient en avance sont placés "en arrière" et ceux en retard sont "en tête". Après un certain temps, les spins les plus rapides (ceux qui étaient en retard mais ont maintenant une plus grande vitesse relative) rattrapent les spins les plus lents, produisant une refocalisation.

• La refocalisation permet de s'affranchir de la perte de synchronisation due à l'hétérogénéité du champ, de sorte que la perte du signal ne dépend alors que de T₂.