Nous avons pris contact avec Alain LOUIS-JOSEPH, un enseignant-chercheur de l’École Polytechnique, qui nous a accueilli cinq après-midi afin de nous expliquer le principe de fonctionnement de l’IRM basé sur la RMN (Résonance Magnétique Nucléaire). Par la suite nous avons eu l’opportunité de réaliser nos propres expériences.
• Séance 1
Alain nous présente une première approche théorique du phénomène de RMN. Tout d’abord il nous explique qu’une bobine parcourue par un courant électrique crée un champ magnétique proportionnel au courant, que certains matériaux dits ferromagnétiques peuvent modifier. Il illustre ce principe à l’aide d’une mini expérience : la mise sous tension d’un circuit comprenant une bobine crée un champ mesurable, qui change lorsqu’on approche un objet métallique.
Il introduit également une notion très importante : chaque noyau atomique possède un spin caractéristique. Ce spin est proportionnel à un moment magnétique et permet de sonder la matière. Lorsque les noyaux sont plongés dans un champ magnétique (par exemple celui produit par un aimant), ils se mettent à tourner selon la précession de Larmor. Une impulsion radiofréquence constitue une excitation du système et déclenche une transition entre niveaux d’énergie. Quand cette impulsion cesse, il y a relaxation longitudinale et chaque noyau produit de l’énergie. Ce signal est ensuite décodé par des techniques de transformation de Fourrier.
• Séance 2
Nous poursuivons l’approche théorique, et notamment l’acquisition et le traitement du signal nécessaires à l’obtention de l’image.
Nous abordons ainsi le principe de “séquence” RMN, un enchaînement précis d’impulsions d’excitations répété.
Alain nous montre aussi une application de la RMN qui n’est pas de l’imagerie à proprement parler, la RMN liquide, réalisée grâce à un spectromètre RMN. Celle-ci permet d’analyser des échantillons acqueux afin d’avoir des informations sur sa composition.
Spectromètre pour RMN liquide
• Séance 3
Nous réalisons des expériences à l’aide d’un appareil IRM miniature dédié aux étudiants (IRM Terranova de l’entreprise MagriTek). Pour commencer et découvrir le fonctionnement de l’appareil et du logiciel, nous faisons une première expérience sur des tubes dits “phantoms” c’est à dire de simples tubes remplis d’eau, qui permettent de “faire le blanc”.
l’IRM miniature Terra-nova
| PROTOCOLE
1. Installer la machine IRM dans une pièce ne possédant dans l’idéal aucun objet métallique ou électronique afin de limiter au maximum les interférences et ainsi limiter “le bruit” (c’est-à-dire un signal parasite à l’origine d’une moins bonne qualité d’image).
2. Relier l’appareil à la console IRM qui sert d’interface entre l’appareil et le l’ordinateur, et brancher le câble d’alimentation électrique.
3. Ouvrir le logiciel Prospa, fourni par le fabricant. Dans le menu EFNMR : lancer “Monitor Noise”. Un nombre s’affiche, il s’agit du bruit. Déplacer légèrement la machine IRM & configurer les paramètres pour le réduire le plus possible (il faut rester sous les 10 μV)
4. Placer un échantillon dans la machine (ici un phantom 4 tubes, c’est à dire un grand tube avec à l’intérieur 4 tubes remplis d’eau).
5. Toujours dans le menu EFNMR, lancer “Pulse & Collect”. Regarder si il y a un signal.
6. Lancer un “Spin Echo”. Il s’agit en fait d’une IRM 1D. Pour l’améliorer, il faut faire varier les paramètres afin d’optimiser le basculement à 90° : on peut modifier la durée du pulse (pulse duration) ou la fréquence des pulse (B1 freq.).
7. Lancer un “Spin Echo Imaging”. Choisir le type d’IRM (2D ou 3D), la coupe voulue (ici YZ) et la qualité de l’image (le nombre de points sur chaque axe). |
Voici le signal obtenu lors de nos expériences
Notre image 2D obtenue : Coupe dans le plan YZ d’un “phantom”
On distingue les 4 tubes. Le plan de coupe n’est pas tout à fait “droit” par rapport à l’objet, ce qui explique que l’on ne voie pas des cercles parfaits. En effet Z n’est pas tout à fait perpendiculaire au champ.
Pendant cette séance, un souffleur de verre (meilleur ouvrier de France) nous a montré son travail. Il a accepté de nous fabriquer une verrerie sur-mesure pour nos expériences. Notre sujet étant le cerveau, nous avons eu l’idée de faire un objet en forme de cerveau qu’il serait possible de remplir de liquide, comportant une cavité indépendante à l’intérieur (qui pourrait modéliser une anomalie comme par exemple une tumeur). Nous avons discuté avec lui des dimensions et des caractéristiques de l’objet.
• Séance 4
Nous récupérons le cerveau en verre, et pendant que nous relançons une manip sur des phantoms pour paramétrer l’appareil nous remplissons d’eau la cavité principale de l’objet.
Malheureusement, à cause des aléas techniques et du manque de temps, nous n’arrivons pas à obtenir d’image correcte sur les tubes “phantoms”. Ainsi nous lançons une acquisition sur le cerveau malgré un signal insatisfaisant.
• Séance 5
Nous apprenons que l’acquisition lancée à la dernière séance n’avait n’avait pas donné d’images exploitables. Comme nous manquons de temps, Alain a déjà réalisé les réglages de base et fait les tests sur des “phantoms” quand nous arrivons. Nous pouvons ainsi directement lancer une manip sur le cerveau. Cette fois nous testons d’autres séquences dont notamment l’écho de gradient (le protocole reste similaire à la différence que l’acquisition est plus rapide) afin de réaliser une IRM 3D. Nous obtenons une image sur laquelle on peut distinguer les contours du “cerveau”. Cependant nous nous heurtons aux limites expérimentales liées aux conditions (l’environnement n’est pas optimal dans notre petite salle de TP , où les interférences sont omniprésentes), aux possibilités de l’appareil, qui a ses limites en terme de qualité d’image, et surtout au temps dont nous disposons : une acquisition est longue (allant de 10 minutes pour une 2D de faible résolution à plusieurs heures pour une 3D).
Sur cette IRM, on peut voir un cerveau en coupe axiale en pondération T2.
TPE - l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) 