Principes de fonctionnement d’un IRM

Le principe fondamental de l’imagerie par résonance magnétique est basé sur le pouvoir qu’ont certains atomes d’absorber et réémettre de l’énergie lorsqu’on les place dans un champ magnétique intense.
Le noyau des atomes est constitué de protons et de neutrons (nucléons) qui sont animés d’un mouvement collectif et d’une rotation individuelle appelé « spin » induisant un courant électrique. Un champ magnétique se crée donc autour des atomes, appelé moment magnétique. Seuls les atomes possédant nombre impair de nucléons ont un moment magnétique total. Le noyau d’hydrogène est formé d’un seul proton et représente le 2/3 des atomes de l’organisme, notamment dans la molécule d’eau. Il va donc être à la base même de cette technique qui est décrite comme une imagerie protonique.

L’unité d’IRM génère un champ magnétique permanent dont l’intensité varie selon la machine (de 0,2 à 3 tesla, le tesla étant l’unité de mesure d’un champ magnétique).
En l’absence de champ magnétique externe, l’ensemble des protons de l’organisme sont orientés de manière aléatoire. Dès le placement du patient dans la machine, l’ensemble des protons s’alignent parallèlement au champ magnétique produit par l’aimant. On parle de magnétisation longitudinale.

On peut ensuite forcer les protons à s’aligner dans un plan perpendiculaire par rapport au champ magnétique de la machine grâce à l’apport d’énergie sous forme de radiofréquences. On parle alors de magnétisation transversale.
Lors de l’arrêt de la radiofréquence, les protons se réalignent sur le champ magnétique longitudinal en libérant de l’énergie. Cette énergie est captée pour générer les images.
Ces modifications de magnétisation longitudinale et transversale sont appelées relaxation longitudinale ou temps de relaxation « T1 » et relaxation transversale ou temps de relaxation « T2 ».
Ces temps de relaxation sont spécifiques aux différents tissus (liquide, graisse, muscles, …). Cette différence est mise à profit pour obtenir des images contrastées.
Selon les paramètres appliqués à la machine, on obtient des images dites pondérées en T1 ou pondérées en T2. Cette différence est possible grâce à deux principaux paramètres qui sont le temps de répétition (TR, temps entre deux radiofréquences) et le temps d’écho (TE, temps auquel on capte le signal générant l’image).
On peut donc paramétrer la machine afin d’obtenir différentes séquences (Spin-Echo, Gradient Echo, FLAIR, STIR, …) permettant de mettre en évidence les tissus à investiguer avec des contrastes différents.

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La résonance magnétique appliquée pour la clinique utilise uniquement le proton du noyau d’hydrogène 1H, atome très fréquent dans les organismes vivants, notamment les mammifères. Ce noyau possède des propriétés magnétiques, qui sont caractérisées par un moment magnétique (illustré par un vecteur en physique), appelé spin du proton.

Dans un tissu vivant, l’orientation des spins est aléatoire et donc la résultante magnétique globale est nulle. Si on applique un champ magnétique puissant (appelé B0), comme dans une machine de résonnance magnétique, les spins vont s’orienter dans l’axe du champ magnétique, dans le même sens (parallèle) ou en sens inverse (anti-parallèle). La proportion de spins parallèles est plus importante et tend à augmenter avec l’intensité du champ appliqué.

Les spins vont alors décrire des rotations autour de l’axe de B0 (appelé mouvement de précession), un peu comme une toupie, et la fréquence de ces rotations sera proportionnelle à l’intensité du champ magnétique appliqué (notre machine présente un champ magnétique d’une puissance de 0,25 T (Tesla), ce qui représente un champ magnétique 6 à 7000 fois plus puissant que celui de la Terre).

Le moment magnétique des protons peut être décomposé en une composante longitudinale (dans le sens du champ B0) et une composante transversale (perpendiculaire au champ B0). La résultante magnétique d'un groupe de spins dans l’axe longitudinal est donc une aimantation tissulaire dans la même direction et le même sens que B0. Par contre, il n’y a aucune aimantation dans l’axe transversal car les mouvements de précession des spins ne sont pas en phase mais bien aléatoires. Ils s’annulent donc globalement au sein d’un groupe de spins.

Le phénomène de résonance correspond à un transfert d'énergie entre deux systèmes de fréquences identiques suite à l’interaction entre les spins en précession et une onde électromagnétique de radiofréquence (système RF). Il faut donc que la fréquence de l’onde soit la même que celle de précession des spins. Deux phases sont alors observées : une d’excitation suite à l’apport d’énergie aux spins et ensuite une de relaxation suite à la restitution de l’apport énergétique et au retour à la phase d’équilibre.

Suivant son intensité et sa durée, cette onde RF va provoquer la bascule de l’aimantation tissulaire. Cette aimantation tissulaire peut être décomposée en une composante longitudinale (dans l’axe de B0) et une composante transversale.

La relaxation est le retour à l'équilibre de l'aimantation tissulaire, c’est à ce moment qu’il y a une émission d'énergie sous la forme d'ondes RF qui constituent le signal enregistré en RMN. Elle est scindée en une relaxation longitudinale, qui correspond au retour de la composante longitudinale, et en une relaxation transversale, qui correspond à la chute de l'aimantation transversale.
La recroissance de l'aimantation longitudinale lors de la relaxation suit une courbe exponentielle et est caractérisée par un temps appelé T1 qui est caractéristique des tissus exposés et dépend de la mobilité des molécules contenant les noyaux d’hydrogène. Le temps T1 est plus court plus les molécules sont grosses.
Le temps T2 correspond au temps de la relaxation transversale et est plus court que T1.

Le signal RMN produit est ainsi enregistré après les différentes étapes de la séquence employée, ensuite numérisé (convertisseurs analogique-numérique) puis traité de façon numérique par de puissants logiciels pour former l’image telle qu’on la connaît.

La fréquence de résonance des protons étant très proche de celle des ondes utilisées au quotidien (bande FM par exemple), l’appareil d’IRM est placé dans une cage de Faraday en cuivre pour l’isoler des signaux RF extérieurs qui pourraient altérer le signal.