L’IRM, une technique révolutionnaire !

L’IRM est une technique d’imagerie médicale relativement récente puisqu’elle est utilisée dans les hôpitaux et autres structures de soin depuis les années 1980. Elle étudie avec une grande précision la plupart des organes : le cerveau, le coeur, la colonne vertébrale, les articulations, les tissus mous, etc. 

 

De la RMN à l’IRM : principe physique

L’IRM est basée sur un phénomène physique appelé la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN).

Le terme “Nucléaire” du sigle RMN, vient du fait qu’on s’intéresse ici à une propriété particulière du NOYAU des atomes. En effet, ce terme vient du latin “nucleus” qui signifie “noyau”. Les noyaux atomiques sont composés de protons et de neutrons (les nucléons). Or, la physique quantique a montré que chaque nucléon est animé d’un mouvement de rotation axiale qui crée autour de lui un petit champ magnétique et donc une “mini-aimantation“. Les physiciens parlent alors de “spin”. Au niveau du noyau, ce spin s’annule si le noyau possède un nombre pair de charge. En revanche, le spin se répercute sur le noyau s’il y a un nombre impair de nucléons, ce qui confère ainsi des propriétés magnétiques au noyau.

 
Nucléaire = irradiation ?

NON ! Bien au contraire.
Contrairement aux radiographies, aux mammographies et aux scanners, l’IRM (qui se base sur le principe de Résonance Magnétique Nucléaire) n’utilise pas de rayons X. Il n’y a pas de radioactivité. On parle d’imagerie non-ionisante.

L’IRM présente-t-elle des risques ?

IRMOrange Quid de l’IRM ? En IRM on s’intéresse principalement au noyau d’hydrogène 1 H, car il est très présent dans le corps humain étant donné qu’on le retrouve dans les molécules d’eau (H2O). Il ne possède qu’un seul proton et présente donc les caractéristiques citées ci-dessus.
Si on place ces noyaux “magnétisés” dans un champ magnétique constant B0 ils se mettent  à tourner autour de l’axe de ce champ, comme des toupies, selon un angle donné. On parle alors de mouvement de précession. La vitesse de ce mouvement est définie dans l’équation de Larmor, qui explique que si le champ B0 augmente, la fréquence de précession (qui est liée à la vitesse) augmente, et vice-versa.
Le terme “Résonance Magnétique” de la RMN, est produit par un autre phénomène en relation avec le premier décrit ci-dessus. En effet, il peut y avoir une interaction entre une onde radiofréquence (onde RF, c’est à dire un champ magnétique oscillant à une fréquence donnée) et les noyaux en précession : c’est le phénomène de résonance. Cette résonance se produit si l’onde RF a la même fréquence que celle de la précession des spins.

 
Connaissez-vous
d’autres phénomènes de résonance ?

Oui! Qui n’a pas entendu parler, par exemple, de ces deux phénomènes?
– Bianca Castafiore, amie de Tintin, parvenant, par la fréquence et la puissance de sa voix, à faire vibrer un verre en cristal jusqu’à le briser.
– une troupe marchant à pas cadencé (et donc à une fréquence donnée), entrainant des oscillations d’un pont suspendu jusqu’à sa rupture.

 

Par ce phénomène de résonance, l’onde RF va apporter de l’énergie aux spins : on parle alors d’excitation. Avec cette énergie supplémentaire, les spins vont alors se réorienter selon une autre direction : on appelle cela, une bascule de l’aimantation. L’angle de bascule de l’aimantation dépend de l’intensité de l’onde RF et de sa durée d’application.

Suite à cette aimantation, les spins vont avoir naturellement tendance à revenir à leur état de base, c’est-à-dire à leur orientation selon l’axe du champ B0 : on parle alors de relaxation. Etant donné que les spins tournent, leur axe va décrire une sorte de spirale (comme une coquille d’escargot) pour revenir à son équilibre. Dans le même temps, cette relaxation émet de l’énergie sous la forme d’ondes RF. C’est dans cette phase de relaxation que va se dérouler l’enregistrement RMN

 

IRMOrange

Quid de l’IRM ? En IRM, le principe est exactement le même, on retrouve les phases de :

  • magnétisation : lorsque la personne rentre dans l’IRM,
  • excitation : lorsqu’on ajoute une onde RF qui va réorienter les spins des atomes d’hydrogène (en IRM on les réoriente généralement à 90° par rapport à leur axe initial ou à 180°),
  • relaxation : lorsque les spins reviennent à l’équilibre et qu’on utilise une antenne réceptrice pour enregistrer les le signal RMN.
PrincipeIRM
PrincipeIRM
PrincipeIRM
PrincipeIRM
PrincipeIRM
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L’IRM : la machine

En gros, un IRM, c’est:

  • Un gros aimant pour faire un champ magnétique B0 permanent et homogène.
  • Des bobines pour créer les ondes RF oscillantes et permettre l’excitation des atomes.
  • Une antenne pour mesurer le signal de précession des atomes qui résonnent. Cette antenne est placée au plus proche de la zone à observer.
    NB : parfois on parle d’antenne émettrice-réceptrice. Dans ce cas-là, c’est elle qui génère les ondes RF d’excitation et c’est aussi elle qui réceptionne les ondes RF de relaxation.
  • Un super PC qui fait tourner un algorithme informatique pour décrypter toutes les mesures.

Ces éléments sont le minimum nécessaire pour l’enregistrement du signal de résonance magnétique nucléaire.

A cela, il est nécessaire d’ajouter trois paires de bobines de gradients, dans les 3 directions de l’espace, pour appliquer une petite variation de champ magnétique au champ B0. Cela permet d’ajouter une information spatiale au signal pour attribuer une position aux différents signaux et ainsi créer les images (voir le chapitre ci-dessous).

 Le tout est ensuite entouré d’une sorte de blindage afin de limiter autant que possible le champ magnétique dans un espace restreint.

Enfin, il peut y avoir un système de refroidissement lorsque l’IRM est composée d’aimants supraconducteurs.

 

Comment sont fabriquées les images ?

L’IRM est une technique d’imagerie qui permet de réaliser des “coupes” du corps dans différents plans. Il est d’ailleurs possible d’obtenir une reconstruction 3D en assemblant ces coupes.

Nous avons vu, ci-dessus, comment parvenir à enregistrer les informations de RMN. Mais comment sont ensuite triées ces informations pour reconstituer une image ?

Afin de savoir d’où proviennent les informations, il est nécessaire de réaliser un codage spatial. C’est le rôle des bobines de gradients.

Crane3DScalpe

 
Qu’est-ce qu’un gradient ?

Un gradient de champ est une petite variation linéaire de champ sur une distance donnée. Ajouter un gradient de champ à un champ magnétique B0 c’est faire varier ce champ dans un axe donné.

Dans les faits, si on prend, par exemple, un champ de 3 Tesla, le fait de lui appliquer un gradient de champ pourrait le faire varier de 2,980 Tesla à 3,020 Tesla dans une direction donnée.

Pour le codage spatial on applique plusieurs gradients successivement et selon des axes différents (x, y, z).

Un premier gradient, dit “gradient de sélection de coupe” est appliqué. Il permet de déterminer un plan.

L’application d’un “gradient de phase” permet ensuite de se déplacer de façon verticale dans ce plan et le “gradient de fréquence” permet de se déplacer horizontalement.

CoupesCrane

Pour réaliser l’image il est nécessaire de planifier le déroulement temporel d’application des divers gradients et des ondes RF. Cette combinaison de gradients et d’ondes RF organisée de manière précise s’appelle une séquence.

C’est l’organisation de cette séquence qui va notamment permettre d’obtenir le contraste, la résolution spatiale et la vitesse d’acquisition souhaitée pour les images.

Après l’application de la séquence, le signal RMN est enregistré. Il est stocké de manière “brut” dans une sorte d’image intermédiaire appelée Espace K ou Plan de Fourier.

Cet espace K est enfin traité mathématiquement via une transformée de fournier afin d’obtenir l’image de la zone étudiée.

L’IRM, une technique avec de nombreux éléments à étudier et développer . . .

Les explications ci-dessus permettent d’avoir un très bref aperçu de la multitude de paramètres qui sont nécessaires à la réalisation d’images IRM. Il en existe encore de nombreux autres.

Ces paramètres peuvent influencer la qualité de l’image, la vitesse d’acquisition, la durée de l’examen, modifier les contrastes afin de visualiser des organes ou pathologies variées, etc.

Pour certains diagnostics il est nécessaire d’injecter un produit de contraste. D’autres éléments sont alors à prendre en compte.

Il est également possible de faire de l’IRM fonctionnelle, ou IRMf. Il s’agit d’une méthode d’imagerie qui permet de visualiser l’activité cérébrale en “regardant” les flux sanguins. On peut ainsi voir qu’elle zone du cerveau est utilisée pour des activités données.

On peut aussi faire de l’IRM de diffusion, qui s’intéresse aux micro-mouvements des molécules d’eau et qui permet d’étudier la structure même des organes et ainsi d’identifier certaines pathologies.

Ce ne sont là que quelques exemples de l’utilisation qui peut être faite de l’IRM et c’est bien loin de refléter tout son potentiel.

Tous ces paramètres et toutes ses applications de l’IRM en font un sujet complexe pour lequel il reste encore de nombreuses pistes à explorer et de nombreux élément à améliorer.