Parmi toutes les modalités d’imagerie, l’IRM est la modalité de choix, pour la recherche et les partenariats scientifiques, notamment grâce à la multitude de contrastes et d’applications potentiellement accessibles de manière non invasive.

Par métaphore, si l’aimant est le chef d’orchestre de cette imagerie médicale, l’examen patient en est la partition, et est constitué de plusieurs séquences, indiquées par le radiologue, pour l’établissement du diagnostic patient.

Le principe théorique du fonctionnement est détaillé ci-dessous, vous trouverez dans les différentes sous-parties de ce tutoriel, des explications illustrées et pragmatiques.

 

La Physique de l’IRM :

L’imagerie par résonance magnétique est une technique qui a révolutionné l’imagerie médicale permettant d’accéder de façon non invasive à des informations anatomiques et structurelles ainsi qu’à des informations fonctionnelles

Dans ce paragraphe nous décrirons succinctement le principe de base de l’IRM conventionnelle

 

Principe de l’IRM conventionnelle :

L’IRM est une technique d’imagerie qui utilise le phénomène physique de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Ce phénomène a été mis en évidence expérimentalement par Bloch et Purcell en 1946, mais l’idée d’encodage spatial du signal pour obtenir les images ne vint à Lauterbur et Manseld qu’en 1973.

 

Origine physique du signal en IRM :

Tous les noyaux qui ont un nombre impair de protons ou de neutrons ont un moment magnétique nucléaire (spin), en particulier le noyau d’atome d’hydrogène (formé d’un seul proton) qui est très abondant dans l’organisme puisque le corps est constitué à 80 % d’eau.

Une expérience RMN consiste à étudier les modifications des noyaux d’atomes d’hydrogène du corps sous l’action conjointe de deux champs magnétiques : un champ magnétique statique fixe et élevé, de direction uz0 (B0 = B0 x uz0) et un champ électromagnétique tournant (B1).

Sous l’effet du champ magnétique statique intense B0, tous les spins du corps sont animés d’un mouvement de précession autour de l’axe uz0 à une fréquence caractéristique ω0 appelée fréquence de Larmor, proportionnelle à l’intensité du champ magnétique :

ω0 = γ ||B0||

où γ est le rapport gyromagnétique spécifique de l’atome étudié (ici l’hydrogène).

L’aimantation nucléaire résultante du système de spin, M, est alors parallèle au champ statique. Dans cet état d’équilibre, si une onde électromagnétique B1 de fréquence égale à la fréquence de Larmor est envoyée, on obtient le phénomène de résonance magnétique : l’aimantation nucléaire bascule par rapport à la direction du champ magnétique statique dans un plan qui lui est généralement perpendiculaire appelé plan transversal. Lors de l’arrêt de l’excitation par impulsion radio-fréquence (RF), la dynamique de retour à l’équilibre des spins induit une onde de radiofréquence qui est recueillie par une antenne de réception.

Cette antenne transforme le signal appelé signal d’induction libre en signal électrique mesurable.

 

Les phénomènes de relaxation et séquences de base :

Après la suppression du champ B1, l’aimantation retourne à l’état d’équilibre, ce qui correspond au phénomène physique de relaxation. En description phénoménologique, on peut distinguer les relaxations longitudinales et transversales. La relaxation longitudinale traduit la repousse de l’aimantation longitudinale, Mz.uz0 selon le champ statique, reposant sur les échanges énergétiques du spin avec le réseau environnant (interactions spin-milieu) et se caractérise par le temps de relaxation T1.

La relaxation transversale traduit la diminution de l’aimantation transverse M⊥ résultant d’une perte de cohérence de phase entre les spins résonants (interaction spin-spin) et se caractérise par le temps de relaxation T2. Les inhomogénéités de champ magnétique contribuent également par un temps T’2 à la relaxation transversale. Il en résulte un temps de relaxation T2* plus court (1/T2* = 1/T2 + 1/T’2).

 

Contraste en T1, T2 et densité protonique :

Suite à l’application de l’impulsion RF, l’aimantation transversale induit dans une bobine de réception un courant nommé signal de précession libre oscillant à la fréquence de résonance. Après l’impulsion RF, le signal décroît selon une exponentielle en T2*. Pour coder spatialement le signal et l’enregistrer, il faut créer un écho au temps d’écho TE en rephasant les spins entre eux. Deux approches sont alors possibles : un écho de gradient est créé si deux gradients de même amplitude mais de signes opposés sont successivement appliqués. Un écho de spin est créé si la phase des spins a été inversée à TE/2 par l’application d’une impulsion RF à 180◦.

L’utilisation d’échos de spins permet de s’affranchir des inhomogénéités propres du champ B0 et d’accéder ainsi au vrai T2. L’aimantation est gouvernée par les équations de Bloch :

dM/dt = γM∧B + 1/ T1 (M0 −Mz) uz0 − 1/T2* M⊥

avec M = M⊥ + Mz uz0 et M⊥ = Mx ux0 + My uy0.

Au temps d’écho, le signal de précession libre solution de cette équation s’exprime alors :

E0(TE) α M⊥(TE) = ρ(1−e−TR/T1 ) e− TE/T2* f(v)

où TR est le temps de répétition représentant l’intervalle de temps entre deux impulsions d’excitations sélectives, ρ est la densité protonique et f(v) est une fonction liée aux ux.

Il est alors possible, en faisant varier les temps d’écho TE et de répétition TR, d’obtenir des contrastes très différents. Par exemple, avec un TE négligeable devant la valeur de T2, l’image résultante dépend essentiellement de la valeur de T1, on dit qu’elle est pondérée en T1.

Inversement si le TR est beaucoup plus long que T1 et que TE n’est pas négligeable devant la valeur de T2, le contraste de l’image sera dominé par la valeur de T2 on aura donc une image pondérée en T2.

De même pour un long TR et un court TE on obtient une pondération en densité protonique.

 

Bibliographie :

Extraits de la thèse de science, « Imagerie par diffusion à haute résolution angulaire : étude du modèle q-ball par couplage simulations – fantômes, et application au suivi de fibres et à la parcellisation du cortex », Muriel Perrin,  p. 47 – 2.3 Mesure de la diusion par résonance magnétique nucléaire (RMN) https://transversesante.files.wordpress.com/2014/10/these_muriel_perrin.pdf