L’IRM est une application de la Résonance Magnétique Nucléaire, phénomène physique découvert en 1938 par Rabi. Bloch et Purcell réalisent en 1946 les premières mesures du magnétisme nucléaire. Pour aborder ces notions complexes, nous avons pris contact avec un enseignant-chercheur spécialiste du domaine, et nous avons travaillé avec lui, sur une étude théorique, puis pratique, en manipulant des appareils RMN et IRM miniatures dédiés aux étudiants [en savoir plus].
Paul Lauterbur
Peter Mansfield
Pour comprendre le principe de RMN, il faut descendre à l’échelle de l’atome. Plus spécifiquement nous considérons l’atome d’hydrogène, qui est abondant dans le corps humain.
Le noyau atomique, un proton pour l’hydrogène, possède un moment cinétique intrinsèque ou spin qui est proportionnel à un moment magnétique, c’est à dire équivalent à une petite aiguille aimantée. Nous savons que l’axe de rotation d’une toupie ne reste pas vertical mais décrit une trajectoire plus ou moins circulaire autour de la verticale : c’est le mouvement de précession. De même, un spin soumis à un champ magnétique BO précesse autour de celui-ci à la fréquence de Larmor qui vaut 42 MHz par Tesla pour le proton. Le spin est souvent représenté comme un vecteur de longueur donnée dont l’extrêmité évolue sur une sphère (sphère de Bloch)
Le proton est comparable à une toupie
Il semble tourner sur lui-même, autrement dit il possède un moment magnétique ou spin
De plus le spin précesse autour du champ B0 à la fréquence de Larmor
La sphère de Bloch
L’état d’énergie minimum correspond à un alignement du spin parallèle à BO : l’aiguille de la boussole s’aligne sur le champ magnétique de la terre et les moments magnétiques s’alignent préférentiellement sur le champ pour être dans l’état d’énergie minimum, c’est le paramagnétisme nucléaire. Pour cela, ils doivent dissiper de l’énergie.
Le principe de paramagnétisme nucléaire
L’alignement se fait en un temps caractéristique T1, temps de relaxation longitudinal résultant de l’interaction avec le matériau : l’énergie dissipée va chauffer la matière. Ce processus est irréversible. La relaxation provient de l’interaction des spins avec leur environnement.
Supposons que le spin d’un proton précesse à la fréquence de Larmor et qu’un champ tournant à la même fréquence, perpendiculaire à B0, soit appliqué. Alors, dans le référentiel tournant avec le spin – on est sur le même manège, le spin « voit » un champ fixe autour duquel il va précesser, pouvant se retourner comme le fait la toupie tippe top. Dans ce processus, le système absorbe de l’énergie de l’onde hyperfréquence. Dans une impulsion de 90°, le spin bascule dans le plan horizontal, créant une aimantation transverse.
Si l’on considère une assemblée de spins, chacun va évoluer dans un environnement différent et leurs phases respectives vont changer puisque certains tournent plus vite que d’autres. Les déphasages vont réduire l’aimantation transverse jusqu’à l’annuler, avec un temps de relaxation T2*. Cette relaxation est non dissipative : l’énergie est conservée et c’est pourquoi la relaxation peut être partiellement éliminée en « renversant le sens du temps » par la technique d’écho de spin, sur laquelle nous reviendrons. Durant la relaxation transverse, les spins tendent aussi à se réaligner sur le champ B0 : c’est la « repousse » de l’aimantation. La trajectoire de l’aimantation n’est plus sur une sphère mais se réaligne le long de B0 en décrivant une spirale.
Les temps de relaxation T1 et T2 contiennent de l’information sur la nature du matériau. Ce sont eux qui permettent d’obtenir une image en attribuant à chaque point une échelle de gris (voir obtention d’une image).
[La relaxation transverse & longitudinale est l’aspect le plus difficile à comprendre de la RMN. Il est normal qu’à la première lecture cela vous paraisse difficile (cet exposé s’adressait à des professeurs). En résumé : on excite les protons à l’aide d’une onde radiofréquence ; ils basculent à 90° puis retournent à leur état initial d’une certaine façon avec un temps caractéristique, c’est ce qui permet d’obtenir des informations sur le matériau.]
Comment détecter l’aimantation locale ? La variation au cours du temps du flux magnétique à travers un circuit ouvert produit une tension à ses bornes : c’est le principe de la dynamo de vélo dans laquelle la roue entraîne la rotation d’un circuit électrique dans le champ d’un aimant, ce qui permet finalement d’alimenter le phare. Ici, la précession de l’aimantation transverse produite à la résonance induit un flux dans une bobine de détection et donc une tension à ses bornes, d’autant plus forte qu’il y a davantage de protons ou que ceux-ci précessent plus vite.
TPE - l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) 