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L'Imagerie en Résonance Magnétique

Un petit retour en arrière

EN DEUX MOTS...

L’IRM réalise une analyse du corps, à distance, sans utiliser les rayons X mais un champ magnétique.
La résonance magnétique emploie le magnétisme pour agir sur les atomes de l’organisme.


DE LA THÉORIE À LA PRATIQUE...

Le concept scientifique

En 1945, Edward Mills Purcell (1912 - 1997) et Felix Bloch (1905 - 1983), tous deux prix Nobel en 1952, découvrent la résonance des noyaux des atomes (résonance nucléaire) soumis à un champ magnétique.

Le principe de l’IRM

Il est basé sur la teneur en eau des tissus.
Ils étaient déjà connus en 1950 mais il manquait, à cette époque, d'un aimant, stable et puissant et d'un ordinateur capable de traiter les résultats.


La mise au point des "machines"

En 1973, le chimiste américain Paul Christian Lauterbur (1929 - 2007), obtient la première image IRM sur un animal.
En 1980, c’est la présentation de la nouvelle technique à la Radiological Society of North America (
RSNA ).
Les premiers appareils commerciaux apparaissent vers les années 1983-1984.

EN 2015

En France, 963 appareils d’IRM sont autorisés et 798 installés 


Le principe de la résonance

CE QUE DIT LA PHYSIQUE

 
Un système physique, qui peut être mécanique, électrique ou magnétique est dit résonant lorsqu'il est susceptible de modifier son état d'équilibre et d'emmagasiner de l'énergie, sous l'influence d'une sollicitation externe à une fréquence bien particulière. Cette fréquence correspond à la fréquence de résonance du système.
Après cessation de cette sollicitation, le système revient à l'équilibre selon des mécanismes oscillants à cette même fréquence. L'atténuation est en général exponentielle et est décrite par des constantes de temps, qu'on appelle "temps de relaxation".

LA BALANÇOIRE UN SYSTÈME "RÉSONANT"

Lorsqu'un enfant s'agite de façon désordonnée sur sa balançoire, il ne se passe pas grand chose. S'il donne des impulsions à une fréquence quelconque qu'il a décidé lui, il ne se passe toujours pas grand chose.
Lorsqu'il donne des impulsions à une fréquence qui correspond à la période d'oscillation de la balançoire (période définie par sa masse, par la longueur des cordes qui suspendent la balançoire et la constante de gravité), la balançoire entre dans un mouvement oscillant dont l'amplitude va croissant avec la quantité d'énergie que l'enfant apporte. A la cessation de cette phase, dite "d'excitation" du système, celui-ci revient à sa position d'équilibre avec un mouvement sinusoïdal amorti, à la fréquence d'oscillation de la balançoire. Cette fréquence d'oscillation est la fréquence de résonance du système.


La résonance magnétique

LES ATOMES DANS LE CHAMP MAGNÉTIQUE...

L’atome est composé d’un noyau et d’électrons qui sont des particules chargées négativement qui gravitent autour du noyau.
Le noyau est composé de protons, qui sont des particules chargées positivement, et de neutrons, qui sont des particules élémentaires électriquement neutres.

Les protons ont leur propre champ magnétique avec un pôle nord et un pôle sud. Ils tournent autour de leur axe comme la terre.

DANS UN APPAREIL D'IRM

Un champ magnétique intense

Les atomes d'hydrogène (protons) du corps humain sont placés dans champ magnétique intense, la somme de leurs moments magnétiques nucléaires donne, alors, une aimantation mesurable.

Une antenne excitatrice

Les protons sont ensuite excités par des ondes radio, qui modifient leur orientation.
Les protons s’alignent alors dans le même sens que le champ magnétique de l’appareil. Lorsque les ondes radio et les protons vibrent à la même fréquence, les protons absorbent une partie de l’énergie des ondes radio.

L'arrêt de l'émission de l'antenne (phase de relaxation)...

La stimulation est brutalement interrompue, et l'appareil recueille une onde dite de résonance.  C’est de ce phénomène que dérive la résonance magnétique.
Les atomes d’hydrogène reprennent leur position d'équilibre dans le champ magnétique (relaxation) en redonnant de l'énergie. Cette quantité d’énergie peut alors être mesurée grâce à la même antenne.

Les relaxations T1 et T2 des protons

Elles dépendent de la nature des tissus. C’est à partir de ce différentiel que l’on peut obtenir deux images de contraste différent des différents tissus. Ces images sont appelées images pondérées T1 et T2.


En IRM, il n'existe pas d'échelle de densité. On parle alors d'hyper-intensité ou d'hypo-intensité en T1 ou en T2. Cet aspect est défini par rapport à l'aspect d'un tissu quelconque adjacent.

L’intérêt de l’IRM est de pouvoir réaliser des coupes dans tous les plans de l'espace et de permettre une ébauche de caractérisation tissulaire : eau, graisse, sang, os,...


  • IRM : principe théorique des images "T1" & "T2"
    IRM : principe théorique des images "T1" & "T2"

  • IRM d'une tumeur

Les appareils

UN GROS ÉLECTRO-AIMANT...

Il est disposé autour d’un cylindre dont la taille est suffisante pour qu’un patient puisse s’y glisser.
L’électro-aimant est entouré de 20 à 30 kilomètres de fils hélicoïdaux faits de matériaux superconducteurs qui n’offrent aucune résistance à l’électricité. Ainsi, lorsqu’un courant électrique est introduit dans les fils, il se maintient à pleine vitesse pendant des années sans qu’il soit nécessaire d’ajouter plus d’influx électrique.
Plus le nombre d’enroulements est grand, plus le champ magnétique est puissant. La force du champ magnétique se mesure en Tesla (T).
Les appareils d’imagerie clinique disposent d’aimants dont le champ magnétique varie entre 0,02 et 1,5 T.
La puissance de ces aimants est telle que tout objet métallique pénétrant le champ électromagnétique (comme une clé) est immédiatement attiré.

Pour préserver sa super-conductivité, l’aimant est maintenu dans un froid intense. Les fils hélicoïdaux qui l’entourent sont disposés dans un appareil à double paroi qui baigne dans de l’hélium liquide maintenu à 4,2°C au-dessus du zéro absolu, température à laquelle les molécules s’immobilisent. L’appareil est maintenu dans le vide et placé dans un réservoir rempli d’azote liquide. Il y a un système de sécurité car, si l'aimant perd sa supraconductivité et s'échauffe (effet de Quench), l'hélium liquide risque de se transformer en gaz, ce qui entraîne un important changement de volume. C'est pourquoi, il existe des systèmes d'évacuation rapide car ces fuites peuvent entraîner des brûlures (par le froid), ainsi qu'une asphyxie.
L’ensemble est placé dans une armure en acier ou en cuivre qui porte le nom de cage de Faraday, laquelle bloque les signaux de radiofréquence des stations de radio locales et des postes de télévision qui peuvent interférer avec les signaux RM.


LES BOBINES ÉLECTROMAGNÉTIQUES DE GRADIENT

Très importantes...

Elles sont utilisées pour moduler la force du principal champ magnétique.
Les spirales hautes fréquences, qui transmettent et reçoivent les signaux de radiofréquence, jouent également un rôle important.
Les gradients doivent réaliser une variation linéaire de l'intensité magnétique le long d'une direction de l'espace. Compte tenu de l'intensité du champ, il ne s'agira que d'une variation. Cette variation va modifier la fréquence de précession des protons. De ce fait, on pourra réaliser des coupes car seuls certains protons pourront entrer en résonance avec l'onde radio. Cette variation de champ est obtenue grâce à des paires de bobines disposées dans chacune des directions de l'espace.

Mais source de bruits...

Même si les bobines sont ancrées à l’appareil, les forces magnétiques intenses qui interviennent pendant l’opération les amènent à percuter contre leur point d’ancrage. C’est ce qui explique les bruits sourds et rythmés que l’on entend pendant l’examen.



LA CHAINE DE RADIOFRÉQUENCE (RF)

Elle comprend l'ensemble des éléments qui interviennent dans l'excitation des noyaux, dans la réception des ondes RF, ou dans la sélection des coupes.
Les antennes d'émission ont pour objectif de délivrer une excitation uniforme sur tout le volume exploré.
En réception, elles doivent être sensibles en ayant le meilleur rapport signal/bruit possible.
Selon le type et la marque de l'IRM, les antennes peuvent être d'émission ou de réception seulement, ou bien les deux à la fois.


Les images IRM

T1 ou T2

T1 = Constante de temps propre à chaque tissu.
Elle correspond à 63 % de repousse de l'aimantation longitudinale de ce tissu. Chaque tissu possède donc sa constante T1.

  • Plus un tissu possède un T1 rapide, plus ce dernier aura un signal élevé en pondération T1 (hypersignal = blanc). Dans une image pondérée en T1, la graisse apparaît hyperintense.
  • Plus un tissu possède un T1 lent, plus ce dernier aura un signal faible en pondération T1 (hyposignal = noir). Dans ce cas l'eau est hypointense, de couleur sombre.

T2 = Constante de temps propre à chaque tissu
Elle correspond à 63 % de décroissance de l'aimantation transversale de ce tissu. Chaque tissu possède, aussi, sa constante T2.

  • Plus un tissu possède un T2 rapide, plus ce dernier aura un signal faible en pondération T2 (hyposignal = noir). L'eau apparaît hyperintense (couleur claire). Dans une image pondérée en T2, l'eau apparaît hyperintense, de couleur claire.
  • Plus un tissu possède un T2 lent, plus ce dernier aura un signal élevé en pondération T2 (hypersignal = blanc). La graisse apparait, ainsi, un peu plus sombre que l'eau.


STIR


Cette séquence permet une suppression non sélective du signal de la graisse.
Le STIR est particulièrement adapté à l'étude de l'appareil locomoteur.
Cette séquence permet de mettre en évidence une infiltration métastatique ou un œdème médullaire (après traumatisme par exemple).

FLAIR

L'acronyme FLAIR provient de l'anglais "Fluid Attenuated Inversion Recovery ". C'est une séquence qui supprime le signal provenant du liquide céphalo-rachidien.
Cette séquence est bien adaptée à l'imagerie cérébrale. Les lésions de la substance blanche, ramollissements (AVC), démyélinisation inflammatoire (sclérose en plaques) apparaissent hyperintenses et sont particulièrement bien mises en exergue.


Temps en ms T1 T2
Liquides 1500 1000
Substance grise 900 90
Substance blanche 750 80
Graisse 300 40

Les produits de contraste en IRM

LE PRINCIPE

Les produits de contraste que l'on injecte par voie veineuse vont modifier localement les paramètres intrinsèques électromagnétiques des tissus où ils vont préférentiellement
se fixer.
Contrairement aux produits de contraste iodés utilisés en radiologie où le paramètre mesuré, l'absorption aux rayons X, est modifié par la présence du produit iodé, en IRM, ce n'est pas le produit de contraste lui-même qu'on observe, mais ses effets sur l'aimantation des noyaux d'hydrogène qui se trouve dans son environnement. De ce fait, il n'y a pas de lien de proportionnalité entre les concentrations du produit de contraste et les modifications de signal observées en IRM.

LES PRODUITS UTILISÉS

Les agents dits paramagnétiques

Ce sont les plus utilisés. Ce sont des complexes du gadolinium.

Le gadolinium* porte le numéro atomique 64 et c’est un métal de haut poids atomique : 157. Il se distribue dans les tissus de la même façon que les produits de contraste iodés utilisés en radiologie et pour les scanners.
Le gadolinium induit hypersignaux sur des images pondérées en T1. Il se verra là où le produit de contraste diffuse, dans les vaisseaux, dans les tissus inflammatoires où il existe une hyperhémie et dans les lésions cérébrales où il existe des ruptures de la barrière hémato-encéphalique.
Les produits commercialisés en France sont, le gadopentétate de diméglumine (Magnevist™), l'Omniscan™, le gadotérate de méglumine (Dotarem™) ou le gadotéridol (Prohance™).
Le gadolinium n'est pas un produit à base d'iode et il est bien toléré et l'injection en intraveineuse n'est pas très douloureuse.

Les agents dits super-paramagnétiques

Ils sont à base d'oxyde de fer et sont en cours d'évaluation.
Ils auraient une spécificité hépatique car captés par le système réticulo-endothélial du foie.
Ils ont pour effet "d'éteindre" le signal du foie sain et de permettre une bien meilleure visualisation des nodules tumoraux métastatiques au sein de celui-ci.


(*  Au XVIIIe siècle, le chimiste finlandais J. Gadolin a consacré une bonne partie de sa vie à la chimie analytique et à la minéralogie. Il s'est beaucoup intéressé aux éléments du groupe des terres rares et l' élément 64 a été nommé gadolinium en son honneur.)


L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf)

SON OBJET

Il s'agit d'une technique d'imagerie utilisée pour l'étude du fonctionnement du cerveau.

SON PRINCIPE

Il consiste à enregistrer des variations minimes des débits sanguins cérébraux lorsque les zones de projection cérébrales sont stimulées.

La localisation des zones cérébrales activées

Elle est basée sur l'effet BOLD ( Blood Oxygen Level Dependant ), lié à l’aimantation de l’hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang.
Dans les zones activées par la tâche effectuée, une petite augmentation de la consommation d'oxygène par les neurones est surcompensée par une large augmentation de flux sanguin. Il en résulte une diminution de la concentration de désoxyhémoglobine. Compte-tenu des propriétés paramagnétiques de cette dernière, le signal IRM (temps de relaxation T2 des noyaux d'hydrogène de l'eau) augmente légèrement pendant les périodes d'activation.

Ce sont ces augmentations de signal qui sont donc mesurées en IRMf. Cette variation est très faible, et nécessite des méthodes statistiques puissantes pour être mise en évidence.

EN PRATIQUE...

L'enregistrement du signal demande une coopération du patient, généralement dans le but d'alterner des périodes d'activité cérébrales avec des périodes de repos. Pendant ce temps sont acquises des images de l'intégralité du cerveau toutes les 1,5 à 6 secondes (correspond à la résolution temporelle moyenne classiquement utilisée en recherche).
Au cours de l'examen, le patient doit réaliser des tâches selon des consignes précises expliquées avant l'examen. Par exemple, il doit faire un mouvement de la main droite pendant 20 secondes toutes les 50 secondes, ou bien il doit trouver des mots commençant par la lettre désignée par la consigne ; pour cela un signal lui est donné pendant l'acquisition des images soit par un écran soit par un casque audio. 


Angio-IRM (ARM)

Elle est utilisée pour visualiser les artères afin de mettre en évidence des anomalies telles que les sténoses, les dissections, les fistules, les anévrismes et les problèmes d'artérite.
Les artères cérébrales, cervicales, rénales, iliaques, pulmonaires et l'aorte sont les artères les mieux étudiées par cette technique.

L'angio-IRM fait appel aux séquences en échos de gradient ultrarapides avec injection de chélates de gadolinium en intra-veineuse8.
 


IRM de perfusion (IRMP)

L’IRM de perfusion permet d'étudier la microcirculation des tissus. Les paramètres qu’elle permet de mesurer sont les volumes sanguins et des données temporelles comme le temps de transit, temps jusqu’au pic de contraste…

L’objectif final de l’IRM de perfusion est de mesurer, ou d’estimer, le débit sanguin qui irrigue l’organe exploré, exprimé en ml/min/100 g de tissu.

La différenciation des tissus perfusés et non perfusés repose sur l’utilisation d’un marqueur intra-vasculaire qui peut être
 

  • Exogène : produit de contraste injecté, en général non diffusible en dehors du secteur vasculaire, et ne traversant pas la barrière hémato-encéphalique normale
  • Endogène : par marquage des noyaux d’hydrogène de l’eau et dans ce cas, le marqueur est diffusible, c’est-à-dire qu’il y a des échanges entre les secteurs vasculaire et extra-vasculaire



  • image IRM du cerveau

En pratique l’examen…

L'imagerie par résonance magnétique est une technique qui permet d'obtenir des images dans n'importe quel plan de l'espace mais elle est limitée à l'organe exploré . Vous serez à jeun pour l’examen.
Lors de l'examen vous serez couché sur un lit qui avance dans un mini-tunnel où règne un champ magnétique. Si vous êtes claustrophobe, dites le quand vous prenez rendez-vous. Vous devrez rester immobile, mais les temps de pause actuels sont de plus en plus rapides.
C’est un examen totalement indolore mais un peu long et désagréable à cause du bruit répétitif à l’intérieur de l’appareil.
La durée de l'examen est variable et fonction du nombre de clichés, en règle générale, 30 à 40 minutes sont nécessaires.

 


Les contre-indications de l’IRM…

POURQUOI ?

Elles sont la conséquence du champ magnétique intense appliqué. Tout objet ferromagnétique situé dans le corps est ainsi potentiellement dangereux.
Les objets ferromagnétiques sont surtout les matériels prothétiques, les éclats métalliques, en particulier intraoculaires, les projectiles (balles, fragments d'obus).

L'effet « missile » d'objets métalliques extracorporels attirés à forte vitesse dans l'aimant est aussi potentiellement très dangereux.

LES CONTRE INDICATIONS ABSOLUES

Les contre indications absolues et liées à des risques lésionnels, sont les suivantes :

  • Les patients porteurs de pacemaker
  • Certaines valves cardiaques
  • Certains clips vasculaires neuro-chirurgicaux
  • Les corps étrangers métalliques intra-oculaires


Mise à jour

30 décembre 2016



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