TPE IRM

1. Magnétisme et atomes

Les noyaux atomiques tournent sur eux-mêmes ; cela entraîne une aimantation microscopique (  ) qui est appelée spin. Le spin est le vecteur qui représente l'axe de rotation du proton. Le proton réagit donc comme un dipôle magnétique.

En l'absence de tout champ magnétique, les protons s'orientent aléatoirement. La résultante magnétique de l'ensemble est donc nulle (  = 0).

Lorsqu'un champ magnétique ( )  apparaît, les spins, polarisés, s'orientent dans la direction du champ, mais pas forcément dans le même sens. La proportion de spins dans le même sens que ( ) est supérieure à celle des spins orientés dans le sens contraire (antiparallèle) : c'est la statistique de Boltzmann. Cet écart de population est proportionnel à l'amplitude du champ magnétique principal. Cette différence crée une aimantation macroscopique (  =  ). Sur 2 millions et 3 protons, alignés dans un champ magnétique de 0,3 teslas, il y en aura 1 million + 3 dans le sens du champ magnétique, et 1 million dans le sens antiparallèle).

Bien que faible, c'est sur cette différence que se base le principe de l'IRM. Lorsque l'on augmente la puissance du champ, on augmente la différence du signal.

Dans la réalité, l'alignement des spins sur (  ) n'est pas parfait. Leur mouvement autour de l'axe (  ) forme un cône, c'est le mouvement de précession. Il peut être apparenté à une toupie qui bascule mais qui reste en équilibre de rotation. La vitesse de précession de ces protons est la fréquence de Larmor. Elle augmente avec l'intensité du champ.

2. Résonance et signal

Comme l'indique son nom, la résonance magnétique nucléaire utilise la résonance. C'est un phénomène couramment utilisé ou subit. En effet, elle permet d'expliquer le fonctionnement d'une balançoire mais peut aussi causer la destruction d'un pont (comme celui de Tacoma), ou moins important, d'un verre (la Castafiore pouvait en casser ). La résonance est une absorption d'énergie par un système à une fréquence déterminée.

Pour l'IRM, l'énergie apportée va être une onde de radiofréquence (RF). Pour que le système entre en résonance, il faudra que cette onde ait exactement la même fréquence que la fréquence de Larmor. La mise en résonance se traduit par un débattement plus ample du mouvement de précession (angle de bascule).
Il va y avoir deux phases : une d'excitation durant laquelle l'onde sera émise, puis une phase de relaxation après l'arrêt de l'onde.

Phase d'excitation : Avec l'onde RF dont la fréquence est celle de Larmor, la résultante de l'aimantation tissulaire  (somme de tous les moments magnétiques  ) bascule. L'angle de cette bascule dépend de l'intensité et de la durée du champ magnétique. On peut décomposer l'aimantation tissulaire en une composante longitudinale (selon l'axe Z, aligné sur  ) et une composante transversale. La phase d'excitation génère la bascule qui se traduit par une diminution de l'aimantation longitudinale (qui peut aller jusqu'à s'inverser), et l'apparition d'une aimantation transversale (tant qu'il n'y a pas retournement). Cette aimantation apparaît car tous les protons précessionnent en phase avec l'excitation RF. La variation de l'aimantation longitudinale est donc la somme de deux effets : l'amplification du mouvement de précession, mais aussi l'inversion des spins parallèles en spins antiparallèles. L'aimantation transversale est due à une mise en phase des spins .

Phase de relaxation : Le système retourne à son état d'équilibre en restituant l'énergie sous la forme d'un signal RF (sinusoïde amortie) recueilli par une antenne dans le plan xy. Pour la relaxation, on va différencier les composantes longitudinales et transversales.

La repousse longitudinale correspond au retour à l'état d'équilibre des spins excités. Cette repousse se fait selon une loi exponentielle caractérisée par le temps T1 qui est le temps au bout duquel un tissu a regagné 63% de son aimantation maximale après une impulsion à 90°.

La relaxation transversale est due au déphasage des spins. Cette chute de l'aimantation transversale suit une courbe décroissante caractérisée par le temps T2 qui est le temps au bout duquel un tissu a perdu 63% de son aimantation transversale maximale.

T1 est dû à un transfert d'énergie entre le proton et le milieu dans lequel il se trouve. Il est donc caractéristique du tissu où sont engagées les molécules d'hydrogène dont les protons ont été excités.
T2 est dépendant aussi du tissu dans lequel le proton se trouve. Le déphasage des spins est dû à des interactions spins-spins.
T1 sera toujours supérieur à T2 (généralement 10 fois), quel que soit le milieu.
Quelques exemples :

Le contraste en IRM est dû à la différence entre ces deux temps.
Et voilà !... le principe de la résonance magnétique nucléaire a été éclairci.