Imagerie par résonance magnétique
L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique d'imagerie
médicale permettant d'obtenir des vues 2D ou 3D de l'intérieur du corps de façon non-invasive avec une résolution
relativement élevée. L'IRM repose sur le principe de la résonance
magnétique nucléaire (RMN) qui utilise les propriétés quantiques des noyaux atomiques pour la spectroscopie en analyse chimiquenote 1. L'IRM nécessite un champ magnétique puissant et
stable produit par un aimant supraconducteur qui crée une magnétisation des tissus par alignement des moments magnétiques de spin. Des champs magnétiques oscillants plus faibles,
dits radiofréquence, sont alors appliqués de façon à légèrement modifier cet alignement
et produire un phénomène de précession qui donne lieu à un signal électromagnétique mesurable. La spécificité de
l'IRM consiste à localiser précisément dans l'espace l'origine de ce signal RMN en appliquant des champs magnétiques non-uniformes, des « gradients », qui vont induire des fréquences de précession légèrement différentes en fonction de la position des atomes dans ces gradients. Sur ce
principe qui a valu à ses inventeurs, Paul Lauterbur et Peter Mansfield le Prix Nobel de physiologie ou médecine en 2003, il est alors possible de reconstruire une image en deux dimensions
puis en trois dimensions de la composition chimique et donc de la nature des tissus biologiques explorés.
En imagerie médicale, l'IRM est principalement dédiée à l'imagerie du système nerveux
central (cerveau et moelle
épinière), des muscles, du cœur et des tumeurs. Grâce aux différentes séquences, on peut observer les
tissus mous avec des contrastes plus élevés qu'avec
la tomodensitométrie ; en revanche, l'IRM ne permet pas l'étude des corticales osseuses (tissus « durs ») trop pauvres en hydrogène, ni donc la recherche fine de fractures où seul l'œdème péri-lésionnel pourra être observé.
L'appareil IRM est parfois désigné sous le nom de scanner, ce qui en français prête à confusion avec le tomodensitomètre. Contrairement à ce dernier (et à d'autres techniques d'imagerie comme la TEP), l'examen IRM n'est pas invasif et n'irradie pas le sujet. Cela en fait donc un outil de
prédilection pour la recherche biomédicale, et notamment en neurosciences cognitives. À partir des années 1990, la technique d'IRM fonctionnelle, qui permet de mesurer l'activité des différentes zones du cerveau, a en effet permis des progrès importants dans l'étude
des fondements neurobiologiques de la pensée.
Image IRM d'une
tête humaine en pondération T1, en coupe
sagittale. La tête est vue de profil, regardant vers la gauche. On y voit le
cerveau en gris clair entouré de
liquide céphalo-rachidien (en noir), la
boîte
crânienne et le
cuir chevelu ; sur d'autres coupes, on peut voir les
globes oculaires et, au niveau du
plan
médian, différentes structures du
névraxe (face interne d'un
hémisphère cérébral,
corps
calleux,
cervelet) ainsi que d'autres parties de l'anatomie (
langue,
fosses nasales, etc.)
Histoire
Le principe de l'IRM repose sur le phénomène de résonance magnétique
nucléaire (RMN), c'est-à-dire portant sur le couplage entre le moment magnétique du noyau des atomes et le champ magnétique externe, décrit par Felix Bloch et Edward Mills Purcell en 1946. Au début des années 1970, les nombreux développements qu'a connus la RMN, notamment en spectroscopie, laissent entrevoir de nouvelles applications de cette technique. Ainsi, Raymond Vahan Damadian propose dès 1969 d'utiliser la RMN dans un but médical et appuie sa proposition avec la démonstration que la spectroscopie RMN permet la détection de tumeurs1.
En 1973, un progrès important est accompli : s'inspirant des méthodes de reconstruction d'images utilisées en tomodensitométrie, Paul Lauterbur réalise pour la
première fois une « imagerie » (qu'il baptise zeugmatographie) basée sur la RMN en utilisant le principe des gradients qui permettent de capturer l'image d'une
« coupe virtuelle » d'un objet en deux dimensions2. Simultanément mais de façon indépendante, Peter Mansfield propose une méthode similaire et introduit en 1977 la technique d'imagerie écho-planaire permettant la
capture de nombreuses images en un temps relativement court. Le premier objet connu du grand public à avoir été étudié par IRM est un poivron, après un essai sur deux tubes capillaires.
Installation d'une unité d'IRM
Dans les années qui suivent, la technique évolue rapidement notamment grâce aux progrès réalisés en informatique et en
électronique qui permettent de mettre en œuvre des méthodes numériques coûteuses en temps de calcul. Ainsi en 1975, Richard R. Ernst
propose d'utiliser la transformée de Fourier pour analyser le codage en fréquence et en phase du signal IRM.
Les premières images de tissus humains seront produites en 1975 par Mansfield ;
en 1977 sera réalisée la première image d'un corps humain vivant par Damadian qui dirigera ensuite la fabrication des
premiers appareils commerciaux.
La principale innovation dans le domaine de l'IRM viendra avec la reprise par Seiji Ogawa des travaux de Linus Pauling et Charles Coryell sur le magnétisme de l'hémoglobine. En effet, le signal IRM émis par le sang oxygéné diffère du signal du sang désoxygéné. Cette propriété permit donc à Ogawa, John Belliveau et Pierre Bandettini de réaliser en 1992 les premières images du cerveau en fonctionnement : en réponse à des stimulations visuelles, ils purent mesurer une augmentation du débit sanguin cérébral dans les
aires visuelles du lobe occipital.
La mesure de cette réponse hémodynamique est à la base du fonctionnement de l'imagerie par résonance magnétique
fonctionnelle, un outil central des neurosciences cognitives contemporaines.
Après plusieurs années d'évolution, l'IRM est donc devenue une technique puissante du domaine de l'imagerie
médicale, lequel est sans cesse en développement. En reconnaissance de « leurs découvertes concernant l'imagerie par résonance magnétique », Peter Mansfield et à Paul
Lauterbur furent récompensés par le Prix Nobel de physiologie ou
médecine en 2003.
En France, il y a 592 appareils en 2010. Le délai d'attente moyen est de 32 jours3.
Le centre européen NeuroSpin est en passe de devenir le plus grand centre au monde d'imagerie par résonance magnétique. L'un
de ses objectifs est d'élucider le « code neural4 », autrement dit, connaître comment l’information est codée dans le cerveau.
Technologie
Tunnel de l'aimant
Machine IRM en
géométrie
fermée 3 Tesla fabriquée par
Philips, une
antenne de tête est installée en bout de table. On remarque également une sorte de
conduit semblable à celui d'une cheminée au-dessus de l'anneau : il s'agit du panneau de pénétration de la salle par lequel passent les différents câbles électriques, le système de
refroidissement ainsi que le conduit d'évacuation de l'hélium gazeux en cas de
quench.
Il ne concerne que les imageurs fermés, c'est le tunnel dans lequel est introduit le patient. Il a des fonctions de confort (comme l'éclairage et la ventilation) et des moyens de communication
entre le personnel soignant et le patient (microphone et haut-parleurs). Son diamètre varie très légèrement en fonction des constructeurs et des modèles mais est approximativement de 60 cm.
Aimant
L'aimant est au cœur du fonctionnement de l'appareil IRM. Son rôle est de produire le champ magnétique principal appelé B0 qui est constant et permanent. L'unité de
mesure de la puissance du champ magnétique est le Tesla abrégé par la lettre T. Cette valeur fait référence
à l'intensité de ce champ principal.
En 2007, dans le domaine de l'imagerie médicale de routine, les intensités de champs magnétiques utilisées sont comprises entre 0,1 et 7 Tesla, avec des intensités supérieures à 17 Tesla5 pour l'étude de spécimens murins et petits animaux, et jusqu’à 11,7 Tesla pour les études pré-cliniques et cliniques sur l'Homme.
-
Remarque : 1,5 T équivaut à 30 000 fois le champ magnétique terrestre.
- Bas Champ : < à 0,5 T
- Moyen Champ : entre 0,5 T et 1 T
- Haut Champ : > à 1 T
Le champ magnétique statique doit être uniforme dans la section du tunnel. La valeur de champ magnétique statique est mesurée et uniformisée par calibration (transducteur à effet Hall) à
l'isocentre de l'aimant et doit couvrir toute la longueur de l'antenne de réception. Les tolérances sont extrêmement critiques particulièrement à haut champ et en spectrométrie Le champ
magnétique diminue à mesure que l'on s'éloigne de cet isocentre : on parle alors de champ magnétique résiduel. La répartition des lignes de champ dépend de la puissance du champ
magnétique mais également de la présence d'un blindage autour de l'aimant (voir chapitre sur le blindage de champ magnétique).
Les principales qualités pour un aimant sont :
- un champ magnétique d'intensité élevée afin d'améliorer le rapport signal sur bruit ;
- une bonne stabilité temporelle (le champ magnétique doit être le plus permanent possible) ;
- une bonne homogénéité du champ (par exemple : 0,2 parties par million ppm dans une sphère de 36 cm de diamètre ce qui correspond au diamètre
moyen d'une antenne émission/réception crânienne : c'est la fenêtre minimum d'homogénéité de champ que doit obtenir le constructeur pour vendre son IRM dans la plupart des pays du
monde).
Ces qualités sont recherchées parmi les trois types d'aimants disponibles sur le marché : l'aimant permanent, l'aimant résistif et l'aimant supraconducteur. Aujourd'hui c'est l'aimant
supraconducteur qui est le plus répandu.
L'augmentation des champs magnétiques permet une amélioration importante de la qualité des images obtenues par IRM mais certaines personnes s'interrogent sur l'influence de champ magnétique de
grande intensité sur le corps humain. Toutefois rien, en 2007, ne mettait en évidence un quelconque effet néfaste sur l'organisme si ce n'est quelques « vertiges » dus à l'induction de
faibles courants électriques dans certaines structures nerveuses par les impulsions de radiofréquence. Dans tous les cas, même à champ faible, la présence d'objets ferromagnétiques constituent
une contre-indication à l'IRM.
Aimant permanent
Il est constitué d'une structure ferromagnétique qui produit un champ magnétique
permanent sans consommation d'énergie. Ces aimants, autrefois très lourds (jusqu'à 90 tonnes avec les ferrites), se sont allégés avec l'arrivée des alliages à
base de terre rares (Bore-néodyme-fer). Un aimant de 0,3 T corps entier ne pèse que 10 tonnes. Un 0,4 T pèse 13 tonnes. Bien que l'on puisse faire des aimants permanents de 1 T, il est économiquement
difficile d'aller beaucoup plus haut que 0,4 Tesla. Leurs avantages principaux sont l'absence de courant de Foucault, une fiabilité exceptionnelle, une architecture ouverte et un champ vertical
perpendiculaire au grand axe du patient, ce qui améliore les performances des antennes. Les systèmes IRM réalisés autour d'aimants permanents ont longtemps fait l'objet de développements limités.
Ce n'est plus le cas. Depuis quelques années, ces systèmes se sont hissés à de très bons niveaux de performances. Plus de 8000 systèmes ont été installés dans le monde entier en majorité aux
États-Unis et au Japon, de plus en plus en Europe et plus lentement en France. Ils sont devenus moins coûteux, très fiables et efficaces, et la Haute Autorité de santé en France en a reconnu
l'intérêt dans un rapport de juin 20086 et en
préconise l'utilisation en France. Ils constituent également le meilleur choix pour les pays ne possédant pas l'infrastructure technique et logistique permettant de faire fonctionner un système
supraconducteur dans de bonnes conditions.
L’utilisation d'un aimant permanent n'est pas sans danger ou problème car ce qui en fait la qualité (la grande stabilité et uniformité de son très puissant champ magnétique) en fait aussi le
défaut puisqu'il sera impossible de suspendre le champ magnétique en cas d'urgence (on ne pourra pas appliquer la procédure de quench évoquée ci-dessous dans la section sur les aimants
supraconducteurs). L'utilisation de l'appareil se fait donc avec des précautions préalable strictes (y compris par un examen radiographique classique préalable pour détecter des corps métalliques
implantés dans des corps mous tels que les vaisseaux sanguins, ou résiduels de certains accidents). Cela nécessite également une surveillance du local d'examen contre la présence ou
l'introduction de matériels ferromagnétiques susceptibles d'être projetés contre l'appareil, ou de causer des blessures graves. De plus, avec le temps, des poussières ferromagnétiques peuvent
s'accumuler sur l'aimant et y persister, ce qui va progressivement en altérer l'uniformité du champ créé. L'environnement de l'appareil doit donc être tenu très propre, y compris l'air ambiant
qui doit être filtré contre la présence de fumées polluantes, puisque le nettoyage de l'aimant sera très difficile ou nécessitera la reconformation du champ magnétique par adjonction d'écrans ou
d'aimants complémentaires de correction. L’autre difficulté réside dans le transport et la livraison de l'aimant jusqu'au lieu où il sera déployé, les aimants de cette puissance faisant l'objet
de mesures de sécurité spécifiques qui leur interdit par exemple le transport par avion si leur champ ne peut être totalement confiné dans l’emballage ou sa structure de protection et de pose
dans l’appareil.
Aimant résistif
Cet aimant est constitué d'un bobinage de cuivre traversé par un courant électrique produisant un champ magnétique en son centre. Ce type d'aimant est assez peu utilisé depuis l'apparition des
aimants supraconducteurs.
Il est assez peu coûteux à la fabrication et ne nécessite pas de liquide cryogénique de refroidissement (contrairement aux aimants supraconducteurs). De plus, le champ magnétique peut être annulé
en quelques secondes en stoppant le courant (mais il faut attendre la stabilisation du champ lors de la remise sous tension).
Malheureusement, le champ magnétique maximum atteint à peine 0,5 T et reste très sensible aux variations de température. De plus, on constate des problèmes
d'homogénéité du champ et une consommation électrique très importante pour alimenter la bobine en courant et pour alimenter les compresseurs du circuit de refroidissement afin de compenser
l'effet Joule provoqué par la résistivité de la bobine.
Aimant supraconducteur
En 2008, c'est le type d'aimant le plus répandu. L'aimant supraconducteur utilise le principe de supraconductivité : lorsque certains métaux ou alliages sont soumis à des températures proches du
zéro absolu, ils perdent leur résistivité si bien que le passage d'un courant
électrique se fait sans perte, donc sans production de chaleur.
L'aimant supraconducteur utilisé en IRM est constitué d'un bobinage de Niobium-Titane (Nb-Ti) baignée constamment dans de l'hélium liquide (près de --269 °C) qui en assure l'état supraconducteur. La résistance électrique nulle ainsi atteinte permet de créer des intensités de champ magnétique très élevées. La
bobine est encastrée dans une matrice en cuivre qui sert de puits de chaleur afin de la protéger en cas de perte accidentelle de
la supraconductivité (le quench).
Enfin, le système est entouré d'un écran refroidisseur (circuit d'air ou d'eau glacée) qui aide à maintenir l'hélium liquide à très basse température. Le tout
est finalement enveloppé d'un espace de vide diminuant les échanges thermiques avec l'extérieur. L'appareil est donc peu sensible aux variations de température ambiante.
Tout cet appareillage rend les appareils à aimant supraconducteur très coûteux à l'achat et, ensuite, à l'utilisation, du fait de leur consommation importante en hélium cryogénique. La supraconductivité permet néanmoins une consommation électrique moyenne ou faible : si elle n'est pas négligeable
lors de la mise en courant des bobinages, elle devient ensuite quasi nulle une fois le régime permanent stable établi.
Les bobinages supraconducteurs étant parcourus par des courants beaucoup plus élevés, ils stockent sous forme magnétique une énergie beaucoup plus élevée. Elle devient même considérable pour les
bobines de grandes dimensions à 3 T ou plus. Ces équipements sont alors dotés d'équipements sophistiqués et fiables pour la dissiper en toute sécurité en cas de
quench.
Géométrie de l'aimant
Il existe deux types d'IRM (en pratique, on appelle IRM la technique comme l'appareil ou imageur):
L'IRM "fermée" est la configuration la plus répandue et la plus connue à l'heure actuelle. Il s'agit d'un tunnel de 60 cm de diamètre pour 2 mètres de long pour les plus anciens et 1,60 mètre de long pour les plus récents. De nouveaux systèmes sont apparus récemment, utilisant
des tunnels plus larges jusqu'à 75 cm de diamètre. Ces systèmes parfois très abusivement qualifiés de "systèmes ouverts" restent des systèmes fermés, bien que
leur capacité à accueillir des personnes obèses soient améliorée.
Un imageur IRM de type ouvert à aimant permanent.
L'IRM "ouverte" est apparue après l'IRM fermée. Très peu répandue à ses débuts, la technologie des IRM ouvertes s'améliorant, on leur trouve des avantages dans la médecine humaine notamment pour
les individus qui ne pouvaient pas bénéficier de ce type d'imagerie en géométrie fermée pour des raisons pratiques ou pour éviter une anesthésie générale. On compte parmi ces personnes :
- les individus obèses dont le diamètre de l'abdomen ou l'envergure des épaules dépasse le diamètre interne du
tunnel ;
- les individus claustrophobes ;
- les enfants ne supportant pas de rester seuls plusieurs longues minutes dans l'IRM sans bouger.
- Les femmes enceintes.
Une application récente des modèles ouverts est l'IRM interventionnelle.
Toutefois, les capacités d'intensité de champ magnétique offertes par ce type d'IRM restent habituellement inférieures (0,3 à 0,4 T pour les aimants permanents[réf. souhaitée]) aux conformations fermées.
Cependant, il existe actuellement deux systèmes ouverts[Lesquels ?] utilisant une technologie à supraconducteur, un à 1 T et un autre à
1,2 T en attendant des champs plus élevés. Ces systèmes haut champ ouverts sont plus difficiles à fabriquer et donc plus chers.
Bobines de gradient de champ magnétique
Il s'agit de trois bobines métalliques enfermées dans un cylindre en fibres de verre et placées autour du tunnel de l'aimant. On les
nomme respectivement : bobine X, bobine Y et bobine Z
Le passage d'un courant électrique dans ces bobines crée des variations d'intensité du champ magnétique dans le tunnel, de façon linéaire dans le temps et dans l'espace. En fonction de sa
géométrie, chaque bobine fait varier le champ magnétique selon un axe spécifique :
- la bobine X selon l'axe droite-gauche ;
- la bobine Y selon l'axe avant-arrière ;
- la bobine Z selon l'axe haut-bas.
Elles permettent notamment de sélectionner une épaisseur et un plan de "tranche" ou coupe (transversal, frontal, sagittal ou oblique) et de déterminer la localisation spatiale des signaux dans ce
plan.
En sélectionnant une de ces bobines, on peut faire varier ces paramètres :
- la pente ou intensité : elle est de l'ordre de quelques dizaines de milliTeslas par mètre (mT/m) et varie selon les imageurs ; son rôle est de
contrôler l'épaisseur de chaque coupe ;
- le rapport de montée en puissance : elle correspond à la pente maximale atteinte par mètre et par milliseconde ; son rôle est la gestion de la rapidité
d'acquisition ;
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Remarque : les commutations rapides de champ magnétique par les bobines de gradients produisent des courants de Foucault, eux-mêmes à l'origine de petits champs magnétiques.
Correcteurs de champ magnétique
Les correcteurs de champ magnétique ou shim sont des dispositifs qui servent à compenser les défauts d'inhomogénéité du champ magnétique principal B0 qui peuvent résulter de
facteurs liés à l'environnement ou tout simplement de la présence du patient dans le tunnel.
Les correcteurs de champ sont disposés le long de l'aimant. Il en existe deux types pouvant être présents tous les deux dans une même machine.
Shim passif
Ce sont des plaques ferromagnétiques. Elles permettent un réglage grossier du champ magnétique, dans le cas d'un environnement perturbateur stable.
Shim actif
Ce sont des bobines résistives ou supraconductrices, dans lesquelles passe un courant électrique. Les shims actifs permettent un réglage fin et dynamique, lors de la présence de
structures mobiles proches de l'imageur ou du patient dans le tunnel. Ils effectuent une compensation automatique à chaque fois que le champ magnétique devient hétérogène.
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Remarque : L'homogénéité du champ magnétique est vérifiée à chaque maintenance du système. Les bobines de shim sont alors calibrées finement (on parle de shimming)
par un technicien ou ingénieur spécialisé.
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Venezuela
