Introduction à la RMN et Spin Nucléaire

Le mouvement de rotation des spins nucléaires autour d'un axe parallèle au champ magnétique appliqué (B0). Imaginez une toupie qui bascule sur son axe de rotation.

La vitesse de précession des spins nucléaires, proportionnelle à l'intensité du champ magnétique. Plus le champ magnétique est fort, plus la vitesse de précession est rapide.

Un moment angulaire propre aux noyaux atomiques impliquant une rotation sur eux-mêmes. Ce spin est quantifié, avec une valeur spécifique pour chaque noyau.

Un atome possédant un nombre impair de protons et neutrons présente un spin nucléaire. L'atome d'hydrogène en possède un.

Le moment magnétique résultant de la rotation des spins nucléaires (spin nucléaire) et qui est proportionnel au spin.

Le rapport entre le moment magnétique nucléaire et le moment cinétique (spin nucléaire).

L'alignement des spins nucléaires dans un champ magnétique puissant. L'alignement est parallèle ou antiparallèle au champ, créant une aimantation nette.

Une technique d'imagerie médicale utilisant les propriétés des spins nucléaires pour créer des images des organes du corps.

L'aimantation tissulaire peut être représentée par une composante longitudinale (selon l'axe Z, dans le champ magnétique principal B0) et une composante transversale.

La phase d'excitation, et la bascule (angle d'excitation), modifient l'aimantation longitudinale, la diminuant ou même l'inversant.

La phase d'excitation provoque l'apparition d'une aimantation transversale, sauf pour une bascule de 180°.

La relaxation longitudinale, ou spin-réseau, correspond au retour des spins à leur état énergétique de base, en augmentant l'aimantation longitudinale.

La relaxation transversale est due au déphasage des spins, conduisant à une perte de l'aimantation transversale.

Le temps T1 est le temps nécessaire pour que l'aimantation longitudinale atteigne 63% de sa valeur finale.

Le temps T2 est le temps nécessaire pour que l'aimantation transversale diminue de 63% de sa valeur initiale.

Les temps T1 et T2 sont caractéristiques des tissus et dépendent de la mobilité des molécules d'eau.

La fréquence de précession ω0 des protons dans un champ magnétique est donnée par la formule ω0 = γB0, où γ est la constante gyromagnétique et B0 est la force du champ magnétique.

En l'absence de champ magnétique, les protons sont orientés au hasard. Cependant, lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique, ils s'alignent soit parallèlement au champ (état d'énergie faible), soit antiparallèlement au champ (état d'énergie élevé).

La distribution de Boltzmann décrit la probabilité relative que les spins se trouvent dans les états d'énergie faible et élevé en fonction de la température. À une température donnée, plus d'atomes se trouvent dans l'état d'énergie faible.

La résonance magnétique se produit lorsqu'une onde radiofréquence (RF) est appliquée à un groupe de protons en précession. La fréquence de l'onde RF doit correspondre à la fréquence de précession des protons pour qu'il y ait un transfert d'énergie et que les spins basculent.

Lorsqu'une onde RF est appliquée, les spins absorbent l'énergie et basculent vers un état d'énergie supérieur. Ce processus est appelé phase d'excitation et se traduit par une modification des niveaux d'énergie des spins et de leurs phases.

Après l'arrêt de l'émission de la radiofréquence, le système de spins restitue l'énergie absorbée en retournant à l'état d'équilibre. Cette phase de relaxation se manifeste par un retour progressif de l'aimantation vers sa valeur d'équilibre.

L'onde RF provoque une bascule de l'aimantation tissulaire résultante d'un groupe de spins dans un champ magnétique. Ce basculement est lié à un transfert d'énergie vers le système de spins.

Au niveau quantique, la phase d'excitation se traduit par une modification des niveaux d'énergie des spins et de leurs phases. Les spins passent de l'état de basse énergie 'parallèle' vers le niveau de haute énergie 'antiparallèle'.

Les inhomogénéités du champ magnétique principal conduisent à une dispersion des fréquences de résonance, ce qui provoque un déphasage de l'aimantation transversale et une perte de signal. Cela se traduit par un temps de relaxation transversale observé (T2*) qui est plus court que le vrai T2.

Une impulsion RF de 90° fait tourner l'aimantation nette de 90° autour de l'axe Z, ce qui provoque une disparition de l'aimantation longitudinale et l'apparition d'une aimantation transversale.

Le signal de précession libre (FID) est un signal qui est enregistré après une impulsion RF de 90°. Il est une sinusoïde amortie exponentiellement dans le temps et représente le déphasage de l'aimantation transversale.

Une séquence d'impulsions est une série d'impulsions RF qui sont appliquées à un échantillon pour produire un signal RMN.

Un diagramme temporel est un graphique qui représente certains aspects des séquences d'impulsions en fonction du temps.

La relaxation transversale est le processus de perte de cohérence de phase de l'aimantation transversale. Elle est causée par des interactions entre les noyaux et leur environnement, conduisant à un retour de l'aimantation à l'équilibre à l'état d'équilibre.

La relaxation longitudinale est le processus de retour de l'aimantation longitudinale à sa valeur initiale de l'état d'équilibre après une impulsion RF.

Une séquence d'impulsions FID-90 représente l'évolution de l'énergie RF et du signal en fonction du temps. L'amplitude du signal dépend du temps de répétition (TR) et du temps de relaxation spin-réseau (T1).

Une séquence spin-écho utilise deux impulsions : une impulsion de 90° pour basculer l'aimantation dans le plan transversal et une impulsion de 180° pour rephasage des spins, permettant de mesurer le signal à nouveau.

Le temps d'écho (TE) dans une séquence spin-écho est l'intervalle entre l'impulsion de 90° et le moment où le signal d'écho atteint son amplitude maximale.

L'équation du signal pour une séquence spin-écho répétée dépend du temps de répétition (TR) et du temps d'écho (TE), mais est uniquement valable si TR est beaucoup plus grand que TE.

La séquence d'inversion de récupération utilise une impulsion de 180° pour inverser l'aimantation, suivie d'une impulsion de 90° appliquée après une période de relaxation, ce qui permet de mesurer le signal après inversion.

L'impulsion de 180° dans la séquence d'inversion de récupération amène l'aimantation de l'axe +Z à l'axe -Z.

L'aimantation dans la séquence d'inversion de récupération subit une relaxation spin-réseau et retourne vers sa position d'équilibre sur l'axe +Z.

Le signal FID est produit après qu'une impulsion de 90° a fait tourner l'aimantation dans le plan XY, la faisant ensuite se déphaser.