Imagerie par Résonance Magnétique (Principes Généraux) / Radiologique Dentaire

Imagerie par Résonance Magnétique (Principes Généraux) / Radiologique Dentaire

Introduction

La résonance magnétique nucléaire (RMN), découverte en 1946 par Bloch et Purcell (prix Nobel 1952), a été utilisée en imagerie dès 1973. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) repose sur le principe de la RMN, qui exploite les propriétés quantiques des noyaux atomiques.

L’IRM utilise les propriétés magnétiques des tissus biologiques, notamment des protons, soumis à deux champs magnétiques : un champ statique $\mathrm{B}_0$, alimenté par un courant électrique continu, et un champ de radiofréquence $\mathrm{B}_1$, alimenté par un courant alternatif. Après une excitation par l’onde de radiofréquence $\mathrm{B}_1$, le retour à l’état d’équilibre s’effectue par les phénomènes de relaxation T1 et T2.

Bases Physiques

Spin Nucléaire et Moment Magnétique

Dans la matière vivante, le magnétisme provient des atomes, composés d’un noyau et d’électrons gravitant selon des trajectoires définies. Le noyau est formé de nucléons, répartis en protons et neutrons. Un nombre égal de protons et d’électrons assure la neutralité électrique de l’atome. Si le nombre de protons équivaut au nombre de neutrons, le moment magnétique résultant est nul.

Les principaux constituants atomiques de la matière vivante sont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote et le soufre. L’hydrogène, principal constituant des tissus mous (70 à 90 % d’eau), est particulièrement important. Le noyau de l’atome d’hydrogène est constitué d’un unique proton portant une charge positive.

Exemple de la Toupie

Au repos, une toupie est couchée sur le côté. Lorsqu’on lui applique un mouvement de rotation autour de son axe, elle se maintient verticalement sous l’effet d’une force parallèle à son axe de rotation, appelée moment cinétique (S). Si la toupie possède une charge électrique, une force d’aimantation, appelée moment magnétique (M), s’ajoute. Ces deux forces sont représentées par des vecteurs.

Le Spin H+

Le proton, tournant sur lui-même comme une toupie, possède un moment cinétique appelé spin (S). Chargé positivement, il génère également un moment magnétique (M), lié au spin, qui peut être représenté comme un dipôle magnétique (un petit aimant avec un pôle positif et négatif) animé d’un mouvement de rotation.

Notion de Moment Cinétique et Magnétique

1. Une particule en rotation induit un moment cinétique ou « spin », aligné sur son axe de rotation et représenté par un vecteur (S).
2. Les protons (noyaux d’hydrogène), animés d’un mouvement de rotation et portant une charge positive, induisent un champ magnétique appelé moment magnétique (lié au spin, aligné sur l’axe de rotation), représenté par un vecteur d’aimantation microscopique noté $(\mu)$.
3. Les protons peuvent être assimilés à de petits aimants (dipôles magnétiques) avec un pôle nord (N) et un pôle sud (S).

$\mathrm{B}_0$ : Champ Magnétique Principal Statique

En l’absence de champ magnétique externe, l’orientation de l’aimantation des protons est aléatoire, et l’aimantation de la matière est nulle. Lorsqu’un champ magnétique est appliqué, les protons se répartissent en deux populations sensiblement égales : parallèles ou antiparallèles à $\mathrm{B}_0$. Les protons parallèles correspondent à un niveau d’énergie plus bas (E1), tandis que les protons antiparallèles correspondent à un niveau d’énergie plus élevé (E2).

Le champ magnétique résultant provient d’un faible excès de protons parallèles situés au niveau de basse énergie, car les spins opposés s’annulent deux à deux (Mzo). La différence de population des spins augmente proportionnellement à l’intensité du champ magnétique statique $\mathrm{B}_0$. Le champ magnétique résultant constitue le vecteur d’aimantation macroscopique Mzo, parallèle à $\mathrm{B}_0$, et adopte un mouvement de rotation autour de son axe, appelé mouvement de précession. La fréquence de ce mouvement, ou fréquence de Larmor, est proportionnelle à l’intensité du champ magnétique appliqué : $\omega_0 = \gamma B_0$, où $\gamma$ est le rapport gyromagnétique.

Action du Champ Magnétique Principal $\mathrm{B}_0$

Les mouvements de précession des spins ne sont pas en phase, ce qui annule les composantes transversales microscopiques. Ainsi, il n’y a pas d’aimantation transversale résultante.

Résonance et Onde de Radiofréquence

La résonance est le transfert d’énergie entre deux systèmes oscillants à la même fréquence. L’onde de radiofréquence entraîne un phénomène de résonance uniquement si sa fréquence correspond à celle de précession des spins. Elle apporte de l’énergie au système (phase d’excitation) et, à la fin de l’excitation, le système restitue cette énergie pour retourner à l’état d’équilibre (phase de relaxation).

Le vecteur d’aimantation macroscopique Mzo est très faible par rapport à $\mathrm{B}_0$ et ne peut être mesuré directement. Il faut donc le basculer à 90° à l’aide de l’onde de radiofréquence $\mathrm{B}_1$. L’orientation du vecteur d’aimantation peut être modifiée si la fréquence de l’onde appliquée ($\omega_r$) est égale à la fréquence de précession du proton ($\omega_0$), condition de résonance (comparable à l’exemple d’une balançoire).

Excitation

L’onde de radiofréquence fournit de l’énergie, favorisant la transition des spins parallèles de basse énergie vers l’état antiparallèle de haute énergie. Cela réduit, voire annule, l’aimantation longitudinale Mzo lorsque les deux populations s’égalisent. L’onde de radiofréquence met également en phase les protons, induisant une composante transversale Mxy.

Relaxation : Retour à l’Équilibre

Dès la fin de l’excitation, les phénomènes inverses se produisent. Les spins inversés retrouvent leur état parallèle de basse énergie, ce qui entraîne une repousse de l’aimantation longitudinale, appelée relaxation longitudinale ou T1 (temps nécessaire à la récupération d’environ 63 % de l’aimantation longitudinale). Les spins mis en phase pendant l’impulsion de radiofréquence se déphasent, faisant disparaître rapidement la composante transversale : c’est la relaxation transversale ou T2 (temps nécessaire à la disparition d’environ 63 % de l’aimantation transversale).

Signal de Résonance Magnétique

• T1 est toujours supérieur à T2.
• T1 et T2 sont essentiels à la formation de l’image IRM.

Pour mesurer T1 et T2, il faut accéder aux vecteurs d’aimantation longitudinale et transversale à l’aide d’antennes transformant l’aimantation tissulaire en signal électrique (principe de la dynamo). Un vecteur d’aimantation tournant induit un courant électrique dans une bobine (loi de Faraday). Le déphasage de l’aimantation transversale est mesurable directement, tandis que la repousse de l’aimantation longitudinale, parallèle à $\mathrm{B}_0$, est mesurable indirectement.

Enregistrement du Signal

Un vecteur d’aimantation peut être comparé à un petit aimant. Lorsqu’il tourne perpendiculairement à une bobine, il crée un champ électrique mesurable sous forme d’une courbe sinusoïdale. En IRM, les antennes, émettrices et/ou réceptrices, jouent ce rôle. Elles ne captent que les variations du vecteur d’aimantation transversale, car elles enregistrent uniquement les moments magnétiques en mouvement.

Les Séquences

Chaque séquence est une combinaison d’ondes de radiofréquence et de gradients, avec pour objectifs :

• Favoriser le signal d’un tissu spécifique (contraste).
• Optimiser la vitesse d’acquisition.
• Réduire les artéfacts tout en maintenant un bon rapport signal/bruit.

Caractéristiques d’une Séquence

Les éléments indispensables à une séquence d’imagerie sont :

• Une impulsion RF d’excitation, nécessaire à la résonance magnétique.
• Des gradients permettant le codage spatial (2D ou 3D), déterminant le remplissage de l’espace $\mathrm{K}$.
• Une lecture du signal, combinant un ou plusieurs types d’échos (écho de spin, écho de gradient, etc.), qui définit le type de contraste.

Classification des Séquences

En Fonction du Mode d’Acquisition

Il existe deux grandes familles de séquences selon le type d’écho enregistré :

• Séquences d’écho de spin : Caractérisées par une impulsion RF de 180° de rephasage.
• Séquences d’écho de gradient.

Écho de Spin

C’est la séquence la plus utilisée en IRM, composée de deux impulsions RF :

• Une impulsion à 90°.
• Une impulsion à 180°, séparées par un intervalle de temps $\mathrm{T}$.

Paramètres :

• TR (temps de répétition) : Temps séparant deux impulsions à 90°.
• TE (temps d’écho) : Temps séparant l’impulsion à 90° du premier écho.

Séquences en densité de protons (DP) : Les paramètres TR et TE sont optimisés pour minimiser l’influence de T1 et T2, le contraste dépendant de la densité en protons.

Écho de Gradient

Objectif : Réduire le temps d’acquisition.

• Angle de bascule inférieur à 90°.
• Pas d’impulsion à 180°.
• Écho créé à l’aide de gradients.
• Paramètres : Angle de bascule, TR, TE.

Séquences d’Inversion/Récupération

Permet, sur une séquence T2, de supprimer :

• Le signal de l’eau (séquence FLAIR).
• Le signal de la graisse (séquence STIR).

Le contraste est celui d’un T2, avec des lésions généralement hyperintenses.

En Fonction du But de la Séquence

Séquences Morphologiques

• T1, T2, FLAIR, STIR, T2*, DP, etc.

Séquences Fonctionnelles

• Diffusion.
• Perfusion.
• Spectroscopie.
• Tenseur de diffusion et tractographie.
• IRM de flux.
• IRM d’activation.

Contraste en IRM

Les paramètres d’acquisition (TR, TE, angle, etc.) permettent de visualiser les structures anatomiques avec différents contrastes, facilitant la caractérisation lésionnelle. Exemples :

• TR/TE 2500/90 : Pondération T2.
• TR/TE 460/11 : Pondération T1.
• TR/TE 2500/30 : Densité de protons.

Formation de l’Image IRM

Le signal RMN est enregistré après les étapes de la séquence, y compris le codage spatial. Il est numérisé via des convertisseurs analogique-numérique, puis traité pour former l’image.

Appareillage et Sécurité

L’IRM nécessite :

• Un local technique.
• Une salle de préparation.
• Une salle d’examen.
• Des consoles d’acquisition et de traitement.

Salle de Préparation

• Brancards amagnétiques.
• Pieds à perfusion amagnétiques.
• Table amagnétique.
• Module ECG.
• Matériel paramédical.

Salle d’Examen

• Vérifier les contre-indications avant l’entrée.
• Champ magnétique intense : Tous les accessoires doivent être non ferromagnétiques (bois, aluminium, PVC).
• Les objets ferromagnétiques peuvent devenir des projectiles ou induire des artefacts en perturbant l’homogénéité de $\mathrm{B}_0$.
• La salle est recouverte d’un blindage en cuivre (cage de Faraday) pour protéger le système des perturbations RF externes.
• Matériel amagnétique obligatoire, y compris pour la réanimation.
• Antennes :
  • Émettrices/réceptrices : Antennes de volume (tête, genou, corps entier) pour un signal homogène.
  • Réceptrices ou de surface (endocavitaires) : Placées près de la région explorée, avec une antenne corps entier émettrice.
• Consoles :
  • Console d’acquisition.
  • Console d’interprétation.

Contre-Indications de l’IRM

Avec l’évolution du matériel médical, les contre-indications diminuent. Les patients doivent fournir un document précisant le modèle exact de tout matériel biomédical implanté, vérifiable sur des sites spécialisés (ex. www.mrisafety.com).

Contre-Indications Absolues

• Stimulateurs cardiaques.
• Défibrillateurs automatiques internes.
• Biostimulateurs (nerfs, croissance osseuse).
• Électrodes épicardiques.
• Pompes à perfusion implantées.
• Implants mammaires avec extenseurs de tissu.
• Corps étrangers métalliques oculaires.

Contre-Indications Relatives

• Clips vasculaires cérébraux (anévrisme).
• Valves cardiaques artificielles.
• Prothèses de l’oreille moyenne.
• Implants cochléaires/prothèses auditives de l’oreille interne.
• Filtres à veine cave.
• Prothèses endovasculaires.
• Éclats d’obus, corps étrangers.

Conclusion

• L’IRM repose sur la résonance magnétique nucléaire, exploitant les propriétés quantiques des noyaux atomiques.
• La reconnaissance des contre-indications et l’application rigoureuse des mesures de sécurité sont essentielles.
• L’examen IRM utilise plusieurs séquences pour visualiser un segment anatomique selon différents contrastes.
• Il existe des séquences morphologiques et fonctionnelles.
• L’examen est long et astreignant, nécessitant un ciblage précis du but diagnostique.

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