L’IRM est un appareil médical destiné au diagnostic patient dont la technologie hardware et software permet le fonctionnement. Son principe physique est assez complexe et est décrit succinctement ci-dessous, depuis le rôle des différents composants jusqu’à la formation des images :
L’aimant : son rôle est de produire le champ magnétique. Son unité est le tesla (T), ses caractéristiques sont sa stabilité temporelle et son homogénéité.
Nous pouvons distinguer, les bas champs, dont l’intensité est inférieure à 0.5 T, les champs moyens, dont l’intensité est comprise entre 0.5T et 1T, et les haut champs avec une intensité supérieure à 1T.
En imagerie de routine clinique, l’intensité du champ magnétique est comprise entre 0.1 et 7T. Certains imageurs, atteignent 17T, pour l’étude sur de petits animaux, avec un diamètre de tunnel restreint. Les études précliniques et précliniques sur l’homme peuvent être réalisés sur des IRM de 1.5T, 3T et jusqu’à 11,7T.
Depuis 2008, l’aimant supraconducteur a remplacé les autres technologies, du type permanent, structure ferromagnétique, sans consommation d’énergie, ou résistif par bobinage de cuivre traversés par un courant électrique et produisant en son centre un champ magnétique d’une intensité maximale de 0.5T.
L’hélium liquide assure l’effet supraconducteur. Sa température est maintenue très basse grâce à une structure d’écran refroidisseur : proche du zéro absolu, l’aimant perd sa résistivité et le passage du courant électrique se fait sans perte, donc sans production de chaleur.
Il existe deux géométries d’aimant : l’IRM fermée, conventionnelle et l’IRM ouverte, qui permet d’imager les patients, qui ne pourraient pas bénéficier de l’imagerie dans un environnement à géométrie fermée : patients obèses, claustrophobes, certains enfants, ou certaines femmes enceintes.
L’IRM fermée conventionnelle 1.5T ou 3T présente aujourd’hui deux diamètres de tunnel, 60 et 70 cm.
Le blindage : Il existe deux types de blindage dans une installation IRM.
- La cage de Faraday permet d’une part de confiner les ondes de radiofréquence produits par l’équipement, dans la salle de l’imageur et permet d’autre part d’isoler la machine des champs magnétiques extérieures, qui perturberaient l’acquisition ;
- Le blindage de champ magnétique, pour rapprocher les lignes de champs au plus près de l’aimant et notamment de faire passer la ligne des 0.5 mT, ou des 5 Gauss, dans la salle d’examen. Ce blindage est de type passif : dispositif lourd constitué de poutrelles ou de fer doux entourant l’aimant, soit de type actif, par création d’un contre-champ magnétique, s’opposant au champ magnétique principal B0, par l’intermédiaire d’un bobinage métallique inversé.
Les gradients des bobines de radiofréquence :
Trois bobines métalliques sont placées autours du tunnel de l’aimant, appelées respectivement X, Y et Z. Ces bobines permettent la sélection de coupe selon les plans axiales, sagittales, coronales ou obliques, et permettent également la localisation spatiale des signaux dans ce plan.
L’application des gradients selon les axes X, Y et Z et caractérisée par la pente ou intensité, exprimée en mT/m et le rapport de montée en puissance, qui correspond à la pente maximale atteignable, et qui conditionne la vitesse d’acquisition.
Nous po
uvons distinguer les gradients de sélection de coupes, qui permettent à l’acquisition la sélection des coupes, des gradients de phase (GP) et de fréquence (GF) qui sont utilisés pour recueillir le signal, procéder à la lecture et remplir à chaque écho le plan de Fourier, ou espace k.
Le plan de Fourier est rempli par codage spatial, tel que l’illustre la figure ci-dessous.
Avec les séquences d’écho de spin ou d’écho de gradient, une ligne du plan de Fourier est remplie, à chaque temps de répétition. Le contraste de l’image sera codé par les basses fréquences. Le détail, de la résolution spatiale est permis par l’acquisition des hautes fréquences en périphérie de l’espace k.
Les séquences
Le signal IRM est très faible, c’est la raison pour laquelle, il n’est pas possible de le lire directement. Les séquences sont un enchaînement d’impulsion radiofréquences et de gradients qui vont permettre de recueillir le signal IRM en signal mesurable. Elles varient et sont définies en fonction du contraste et de la pondération souhaitée. Les deux grandes familles de séquences sont les séquences d’écho de spin et les séquences gradient écho.
- Les séquences en écho de spin :
Les techniques multi-coupes permettent d’acquérir plusieurs coupes en un seul TR.
- Les séquences par écho de gradient :
- Les techniques d’imagerie rapide :
Les séquence par écho de pin, dites multishot, permettent de balayer plusieurs lignes du plan de Fourier en un seul temps de répétition.
Les séquences en écho de gradient, sont jusqu’à 10 fois plus rapide qu’en SE, quelques dizaines de milisecondes, et permettent le balayage du plan de Fourier en un unique TR, notamment par les techniques écho planar EPI. Les inconvénients sont en revanche un faible rapposrt signal sur bruit et une faible résolution spatiale.
Les antennes :
Les antennes, capteurs inductifs constitués de bobinages de cuivre, permettent de recevoir le signal de radiofréquence, traditionnellement par mesure de la tension induite par la variation de flux.
Les antennes sont accordées pour correspondre à la fréquence de résonance de précession des protons ou des noyaux d’intérêt, et à la valeur du champ magnétique de l’équipement, c’est à dire par exemple pour le noyau de l’hydrogène (proton), une onde radiofréquence de 63.9 MHz, pour un champ de 1.5T.
Il existe différent types de classification des antennes :
- selon leurs géométries : volumique, surfacique, flexible ;
- selon leur fonctionnement : réception pure, émission-réception, transmission multiple ;
- selon l’association éventuelle de différents éléments : antennes linéaires, en quadrature de phase, multi-éléments ou matricielles en réseau phasé. La technologie permet une densité d’éléments flexibles, toujours en hausse, avec le nombre de canaux disponibles sur l’imageur, jusqu’à 204 éléments, 128 canaux à 3.0T avec la technologie TIM 4G de chez Siemens.
La liaison entre le static de l’imageur et le local technique, est depuis quelques années numérique et se fait soit par fibre optique, technologie de reception « opTIX RF » chez GE Healthcare, qui permet un gain significatif de signal de 30% en comparaison à l’utilisation des câbles analogiques, ou « Direct RF: Real Time », chez Siemens, soit une conversion analogique-numérique directe sur l’antenne, comme le propose Philips avec sa technologie « dStream ».
Le 3T est soumis au problème physique de l’effet diélectrique. Le multi-transmit qui s’adapte à la morphologie du patient, consiste à générer un shim radio-fréquence, en parallèle au shim magnétique automatique, ce qui permet d’homogénéiser le signal sur l’ensemble du champ de vue tout en réduisant les temps d’acquisition et l’énergie déposée au patient (SAR), notamment pour l’imagerie de l’abdomen ou des organes en mouvement.
L’ensemble des échos recueillis, par variation des valeurs différentes du gradients en phase, permet de générer l’image.
Le remplissage du plan de Fourier, varie en fonction de la séquence utilisée. Les séquences spin écho (SE) ou gradient écho (GE) permettent un remplissage ligne par ligne, réalisé à chaque temps de répétition (TR).
L’image :
L’image
IRM est un ensemble matriciels de cubes, alignés en ligne et colonnes, dont l’unité élémentaire est appelée un voxel. Ses caractéristiques fondamentales sont sa résolution spatiale, pour une représentation fine de la réalité, et son intensité. La distribution des intensités peut être représentée par un histogramme, représentant pour chaque niveau de gris, valeur physique provenant du capteur, le nombre de voxels de cette valeur.
L’image IRM est reconstruite par transformation de Fourier, comme l’illustre la figure ci-dessous. Le contraste de l’image, repose sur les basses fréquences de l’espace k, ou espace de Fourier. La résolution spatiale est codée par les hautes fréquences situées en périphérie.
Bibliographie :
[1] Comprendre l’IRM, Manuel d’auto-apprentissage, Bruno Kastler, Daniel Vetter, Z. Patay, P. Germain
[2] Cours IRM, Olivier Balédent, Directeur du Laboratoire Bio Flow Image, CHU Amiens.
[3] Imagerie par Résonance Magnétique, Wikipédia : https://fr.wikipedia.org/wiki/Imagerie_par_r%C3%A9sonance_magn%C3%A9tique
[4] Société Française de Radiologie : http://www.sfrnet.org/sfr/professionnels/2-infos-professionnelles/10-rsna/bourse-sfr-guerbet/2009/Aspect%20Technologique/article.phtml?id=rc%2Forg%2Fsfrnet%2Fhtm%2FArticle%2F2010%2Fhtm-20100330-140425-187
[5] Centre d’IRM Fonctionnelle de Marseilles, Muriel Roth : http://irmfmrs.free.fr/IMG/pdf/IRM_05_Instrumentation.pdf
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