III. L’Imagerie par Résonance Magnétique

1.Présentation :

L'I.R.M est une abréviation d'Imagerie par Résonance Magnétique. C'est l'appareil d'imagerie médical le plus récent (1973) et est sans aucun doute la méthode de diagnostic la plus puissante et la plus sensible disponible actuellement. Elle permet d'obtenir des images de n'importe quel organe, dans n'importe quelle coupe.

Les images obtenues par IRM ont une résolution anatomique comparable à celle des scanners, mais avec de meilleurs contrastes. Par ailleurs, l'image obtenue est très supérieure aux images à rayons X, car l'IRM a la capacité de distinguer les différences d'intensités entre les tissus mous normaux et pathologiques. L'IRM est donc un procédé d'imagerie médical, certes coûteux, mais qui fournit des images d’organes plus précises et permet donc un diagnostique plus précis et complet.
 

Cet appareil a été mis en application pour la première fois sur de petits objets, en 1976, grâce aux travaux de :

Paul Lauterbur, chimiste américain, ayant découvert en particulier qu’il était possible de créer une image bidimensionnelle en jouant sur l’intensité du champ magnétique,

Peter Mansfield, physicien britannique, ayant affiné la méthode : Il a établi les modalités du traitement mathématique et de l’analyse par ordinateur des signaux, permettant de mettre au point une technique d’imagerie utilisable. Il a également montré que l’acquisition de l’image pouvait être extrêmement rapide.

Cependant Raymond Damadian, médecin américain,reste presque oublié pour cette invention  bien qu’en 1969, il ait été le premier à envisager la détection des tumeurs cancéreuses par I.R.M. : il avait même entrepris la réalisation d’un aimant supraconducteur qui devait aboutir en 1977 aux premières images du thorax humain. Ainsi l’idée initiale vient de Damadian, lui-même. Les applications médicales de l’IRM se sont ensuite considérablement développées dans les laboratoires et les centres médicaux du monde entier entre 1983 et 1993.

Les applications médicales de l’IRM se sont ensuite considérablement développées dans les laboratoires et les centres médicaux du monde entier entre 1983 et 1993.

2.Fonctionnement

L’IRM est un appareil complexe dont les principes physiques n’ont été bien compris que dans les années cinquante ; il s’agit des principes physiques fondamentaux de la résonance magnétique (d’où le nom d’IRM). La résonance magnétique représente les interactions entre le noyau de l’atome et les champs magnétiques. Mais ce n’est pas parce que l’on connaît les formules et ce qui se passe au niveau atomique que l’on sait « maîtriser » ce phénomène, c’est pourquoi il a fallu environ 23 ans pour constituer le premier appareil utilisant l’IRM.
Deux problèmes restaient à résoudre une fois les principes compris, c’était de disposer d’un ordinateur suffisamment rapide et puissant pour traiter les informations, et de réaliser un aimant stable à taille humaine associé à des appareils radios.

Dans un premier temps, il faut comprendre ce qu’est la résonance magnétique, que l’on appelle couramment R.M.N : Résonance Magnétique Nucléaire.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) 

Il s’agit d’une technique mise au point en 1946 par le physicien américain Félix Bloch, et destinée à l’analyse de la structure moléculaire.
Le principe de la RMN exploite la propriété qu’ont les noyaux atomiques de se comporter comme des dipôles magnétiques (boussoles) dans un champ magnétique : ils s’alignent sur une direction donnée de la même façon que l’aiguille de boussole s’aligne sur la direction du champ magnétique terrestre. L’entité mathématique, nécessaire pour décrire une telle interaction au niveau de l’atome, est appelée : moment magnétique nucléaire.                                             
Une onde électromagnétique d’une fréquence donnée, donc d’une énergie donnée (l’énergie d’une onde électromagnétique est proportionnelle à sa fréquence), interagissant avec une molécule, en provoquant la réorientation de son moment magnétique nucléaire. La mesure de l’énergie requise pour réorienter le moment magnétique nucléaire permet de connaître le champ appliqué au noyau dans la molécule. Cette valeur fournit des renseignements détaillés sur la structure de la molécule.
La RMN peut être utilisée sur n’importe quelle molécule dont les noyaux atomiques ont un moment magnétique non nul. C’est le cas des protons, qui constituent les noyaux des molécules d’hydrogène. Les protons d’hydrogène du corps s’alignent parallèlement au champ magnétique dans lequel le patient est placé, se mettant en position d’équilibre. A cette propriété, il faut ajouter que la RMN utilise une onde électromagnétique pour justement modifier cet équilibre. L’onde émise va exciter les protons d’hydrogène, en les écartant de leur position d’équilibre. A l’arrêt de l’émission, les protons d’hydrogène reviennent à leur position initiale, pour retrouver un équilibre : il s’agit de la relaxation. Ces mouvements de relaxation représentent une « réponse » des protons d’hydrogène, sous forme d’un autre signal : la résonance, c’est pour cela qu’il s’agit  de « résonance » magnétique. L’analyse de ces signaux conduira à l’obtention d’une image que l’on pourra utiliser en médecine.
Ainsi la présence d’hydrogène dans la plupart des molécules organiques explique que la RMN est tant utilisée par les biologistes.

L’appareil d’IRM 

L’appareil d’IRM est constitué de plusieurs parties que nous allons étudier distinctement. Nous commencerons par la partie où le patient s’installe.

L’aimant supraconducteur

Il s’agit en fait d’un gigantesque solénoïde (fil métallique enroulé en hélice sur un cylindre, et qui, parcouru par un courant, crée un champ magnétique comparable à celui d’un aimant droit), d’une très grande puissance, puisqu’il permet de créer un champ magnétique généralement d’environ 2 teslas (40 000 fois le champs magnétique de la Terre), unité de mesure des champs magnétiques, qui peut varier et aller jusqu’à 4 teslas dans l’IRM (très rare).

La plupart des mesures s’effectuent avec un champs magnétique de 1 à 2 teslas, il faut donc des solénoïdes de très haute technologie pour pouvoir effectuer de pareil champs magnétiques, surtout sur un volume aussi grand que celui du « tunnel » où se trouve le patient (1.5m de long et 0.5m de large).
 
Ce champ magnétique doit être homogène sur tout le corps du patient, ce qui rend la création de ce champ encore plus difficile. Pour pouvoir le faire, on utilise des solénoïdes de types cryogéniques supraconducteurs.

Ce sont donc des aimants qui marchent à froid (le plus bas possible) et qui utilisent des bobines supraconductrices. Pour que ces bobines marchent en supraconductivité, elles sont « réfrigérées » par de l’hélium liquide (dont la température est entre –272,2°C et –268,9°C) et de l’azote liquide extérieurement, on arrive ainsi proche du zéro absolu, sans l’atteindre. Le système de refroidissement fonctionne en circuit fermé, ce qui permet d’avoir très peu de pertes d’hélium liquide, et il n’y a donc pas besoin d’avoir un système de ravitaillement.

Voici un schéma de la disposition du patient dans l’appareil par rapport à l’aimant :

Dans la majorité des appareils, le patient est couché à l’intérieur du solénoïde, et c’est le tunnel qui se déplace autour de lui.
Pour optimiser l’appareil de l’IRM, une seconde partie va modifier le champ magnétique que l’aimant a créé.

Les génératrices d’ondes radio 

Ces génératrices (qui sont des bobines) vont créer les ondes électromagnétiques nécessaires à la Résonance Magnétique Nucléaire. Avant que les ondes radio soient générées, les noyaux sont dans un état d’équilibre en fonction de l’axe du champ magnétique.
 Les signaux que l’appareil d’IRM analyse ne peuvent être perçus que si on rompt cet état d’équilibre, et c’est là qu’intervient l’onde électromagnétique produite par les génératrices, puisque c’est elle qui va « exciter » les noyaux.

Pour pouvoir faire cela l’onde électromagnétique doit avoir une valeur précise que l’on appelle fréquence de résonance ou fréquence de Larmor (en MHz). Cette fréquence dépend du noyau de l’atome que l’on veut exciter, et de la puissance champs magnétique (en Tesla) nécessaire à l’équilibre des protons de l’atome à exciter.

Les récepteurs d’ondes 

Une fois les ondes envoyées sur le patient, on doit faire la mesure des constantes de temps caractéristiques pour déduire le type de tissu que l'on a rencontré dans la coupe.
Cela va se faire à l'aide de ces bobines de réception qui vont agir de façon inverse par rapport à celles d'excitation.

Elles vont donc capter les signaux de relaxation ou de réorientation du moment magnétique des atomes excités.

Pour comprendre la capture du signal décomposé, il faut savoir qu'il s'agit d'une sinusoïdale amortie (pour la relaxation transversale), comme vous le montre le graphique suivant :

Elles prennent également en charge la conversion de ces signaux en données pour les transmettre à l'unité de traitement qui analysera les résultats obtenus.

Les bobines de gradient :

Il y a aussi d'autres bobines qui créent des champs magnétiques dans l'appareil d'IRM. On les appelle : bobines de gradient. Elles sont beaucoup plus petites que le solénoïde qui crée le champ principal (et donc n'interviennent pas sur le sens et la direction du moment magnétique de l’atome excité, qui reste en fonction du champs magnétique principal).
On utilise d'ailleurs souvent des bobines de Helmholtz pour faire ces "bobines de gradient".
(Les bobines de Helmholtz sont deux bobines "plates", identiques, circulaires et coaxiales. Elles sont séparées par une distance D égale à leur rayon R. Dans une région voisine du centre du dispositif le champ magnétique est : quasi-uniforme ; dirigé suivant l'axe commun aux deux bobines ; de sens donné par la règle de la main droite.)

On appelle gradient la différence de valeur physique de deux points dans un espace, par exemple dans un champ magnétique.
Ces bobines introduisent une inhomogénéité dans le champ magnétique, de façon à ce que l'on puisse savoir différencier deux points avec précision en fonction des valeurs des champs magnétiques en ces points.
Si le champ magnétique en un point dépend du champ de la bobine de gradient, cela veut dire qu'il se situe dans le champ que créé cette bobine.

Voici un schéma de la disposition des différents composants de l’appareil d’IRM (notamment les bobines), à l’intérieur même du tunnel :

En pratique, on trouve la plupart du temps, trois paires de bobines qui jouent ce rôle dans les appareils IRM.Chaque bobine sert à caractériser une direction de l'espace, ce qui permet d'accéder à des informations en 3 dimensions.
On pourra donc placer avec une grande précision les images issues des données que procure l'IRM, c'est à dire qu'on saura précisément à quel endroit se trouve tel ou tel tissu.
Le plan de coupe est déterminé par le gradient de sélection de coupe. La localisation dans ce plan de coupe est déterminée par l'utilisation d'un gradient de codage de phase et d'un gradient de lecture dans le plan orthogonal. Ainsi l'examen en IRM permet de faire des coupes dans les 3 plans: horizontal, vertical et transversal. Les radiologues leurs donnent les noms de: Coupes coronale, axiale et sagittale.

L'unité de traitement

On regroupe sous le terme général d'unité de traitement toute la partie informatique de l'appareil d’IRM.
 Le premier rôle est bien sûr de piloter les positions mécaniques ainsi que les courants dans les différents bobinages. La seconde tâche de cette unité est le traitement des données brutes reçues du dispositif de réception.
 Il faut d'abord reconstruire une image de chaque coupe en distinguant, pour chaque point, les coordonnées dans la coupe (x, y) et les valeurs des temps de relaxations longitudinale (t1) et transversale (t2) et qui vont permettre de reconnaître le type de tissu rencontré, et donc le codage couleur à utiliser pour la coupe.
Ce procédé de codage s'appelle la reconstruction tomographique.
Cela demande une puissance de calcul très importante, et on y dédie souvent une station de calcul à plein temps.
Cette unité de traitement est à l'heure actuelle l'objet de beaucoup de recherches, car il faut aujourd'hui plusieurs minutes pour obtenir les clichés IRM d'un patient, et ceci est dû aux temps de calculs.

On peut donc décomposer un appareil d’IRM en cinq composants:
- L'aimant
- Les génératrices d'ondes radio
- Les récepteurs d'ondes
- Les bobines de gradient
- L'unité de traitement.

 On peut ainsi considérer que les interactions entre ces différents éléments, pendant l’examen, sont les suivantes:

3.L'IRM et ses nombreux intérêts

IL existe évidemment de nombreux types d’observations et d’utilisations de l’IRM. Mais toutes fonctionnent de la manière qui est décrite ci-dessus.

L’IRM, par sa précision, a permis de grands progrès en imagerie médicale, des avancées technologiques et scientifiques majeures, en particulier concernant les états pathologiques et physiologiques de l’homme.
Son intérêt réside dans sa capacité à réaliser des coupes dans tous les plans de l’espace, et à permettre une ébauche de caractérisation tissulaire (eau, graisse, sang, os…) grâce à la confrontation des différents types d’acquisition possibles.

A la différence du scanner à rayons X, qui utilise des ondes ionisantes, l’IRM utilise la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) qui totalement inoffensive pour l’organisme et le produit de contraste utilisé dans ce genre d’examen est

L'un des avantages de l'IRM, est l'absence d'introduction de traceur extérieur. De plus, les rayonnements sont totalement inoffensifs. L'examen fournit une image en haute-résolution.

Cette technique est sans égale dans l'obtention d'images par balayage du cerveau, de la tête et du cou. De plus, elle permet de réaliser des analyses chimiques in vivo.

Utilisation pratique : cette technique pourrait même servir de détecteur de mensonges, car l’IRM permet de mettre en évidence certaines fonctions cérébrales, contrairement au scanner à rayon X

Les contre-indications et les inconvénients en IRM 

Il existe des contre-indications à la pratique d’une IRM, c’est pourquoi de nombreuses questions sont posées avant ce genre d’examen :
Les contre-indications formelles et écrites sur toutes les portes de toutes les salles d’IRM sont :

D’autres sont relatives à l’appréciation du radiologue :

Les prothèses articulaires et le matériel d’ostéosynthèse (visse et plaques pour fracture ou ostéotomie) ne sont pas une contre-indication pour cet examen mais ils perturbent considérablement les champs magnétiques rendant les images ininterprétables.
D’autres facteurs peuvent empêcher de réaliser cet examen. Pour une bonne qualité d’image, l’immobilité totale du patient est demandée durant l’examen, tout état ou circonstance ne permettant pas cette immobilité (anxiété, tremblement, etc…) peut faire différer l’examen et demander un traitement préalable.
La claustrophobie peut rendre l’examen impossible, mais dans la plupart des cas, l’équipe de techniciens, rassurante, doit permettre le bon déroulement de celui-ci.
L’IRM a également des contraintes et des inconvénients importants :
Il nécessite des aimants puissants, lourds, encombrants et très onéreux. En effet, le prix d'un appareil d'IRM et de son installation (Isolement sur le plan électromagnétique…) se situe entre 80 mille et 3 millions d’Euros.
Un des autres inconvénients de l'IRM est l'inconfort du patient durant cet examen : le sujet est maintenu à l'intérieur d'un tube étroit et subit un bruit important. Le bruit, produit par les appareils fournissant à cadence élevée des impulsions électromagnétiques, est relativement fort.

5. Déroulement de l’examen 

C’est un médecin spécialiste en radiologie qui pratique cet examen. Après avoir signalé son arrivée à l’accueil, le patient patiente généralement quelques minutes en salle d’attente. Avant l’examen, il passe au vestiaire pour se dévêtir (les vêtements qu’il faut ôter sont indiqués par le radiologue spécialisé). On demande au patient d’enlever impérativement toute pièce métallique (bijoux, montre, lunettes, prothèses auditives et dentaires…) ainsi que les cartes magnétiques (bancaires, transport…). Un petit conseil : Aller aux toilettes avant d’entrer dans la machine pour plus de confort.

Pendant l’examen, le patient est allongé sur un lit, le plus souvent sur le dos. Une antenne est placée au niveau de l’organe à visualiser puis il entre automatiquement dans l’appareil. Une injection de produit de contraste est parfois réalisée afin d’améliorer la qualité des images. Surtout, le patient ne doit pas bouger et doit respirer calmement afin que les images soient de bonne qualité.
Durant la réalisation des images, le patient entend un bruit qui ressemble à celui d’un marteau piqueur au d’un moteur de bateau, qui est totalement normal…
Pendant tout ce temps, le personnel médical voit et entend le patient. En cas de problème, il est muni d’une sonnette qui lui permet d’appeler par une simple pression.
Il dure de 20 minutes à 1 h 30 à une heure selon l’organe à étudier. C’est un examen relativement long, comparé au scanner.
Les résultats : le radiologue donne au patient un premier commentaire. Son compte rendu définitif est ensuite a dressé dans les plus brefs délais au médecin traitant du patient.

6.Exemple : L’IRM Fonctionnelle (IRMf) 

Il existe deux types d’examen IRM :

L’IRM anatomique (IRMa) est la technique d’IRM utilisée plus généralement : on applique le RMN aux noyaux d’hydrogène, élément présent en abondance dans l’eau et les graisses des tissus biologiques et  on visualise alors la structure anatomique de nombreux tissus.

L’IRM fonctionnelle (IRMf) est la seule technique d’imagerie permettant, ce genre d’observation : on réalise des images RMN en des temps suffisamment brefs pour suivre certains aspects du métabolisme ou du fonctionnement des tissus.

En guise d’exemple illustrant l’utilisation de l’IRM, de nos jours, nous avons choisi l’IRM fonctionnelle qui est la technique moins la courante et la plus intéressante.

L’IRM fonctionnelle est utilisée notamment pour l’observation du cerveau : on parle plus généralement d’IRMf cérébrale.

IRM cérébrale fonctionnelle : l’aire rouge d’activation située dans la région pariétale est obtenue par modification locale du champ magnétique, due à une activité cérébrale (variation du rapport Hb02/Hb)

Afin de situer et d’identifier les différentes aires cérébrales correspondant à la mémoire, au mouvement, aux cinq sens, aux sentiments, etc., on a utilisé et de nombreux instituts et laboratoire utilisent encore l’IRM fonctionnelle.

Ainsi l’IRMf  cérébrale à pour but essentiel d’étendre les connaissances neurologiques de l’homme sur son propre cerveau.