La Résonance Magnétique Nucléaire PDF

La Résonance Magnétique Nucléaire  Introduction  Pour savoir l’origine de l’aimantation tissulaire dans un champ et éxpliquer le déroulement de l’expérience de RMN  L'IRM repose sur le principe de la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui utilise les propriétés quantiques...

La Résonance Magnétique Nucléaire  Introduction  Pour savoir l’origine de l’aimantation tissulaire dans un champ et éxpliquer le déroulement de l’expérience de RMN  L'IRM repose sur le principe de la résonance magnétique nucléaire (RMN) qui utilise les propriétés quantiques des noyaux atomiques.  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.  Le spin nucléaire  Les particules comme les protons, neutrons et électrons ainsi que les noyaux de certains isotopes se comportent comme des corps tournant sur eux- mêmes, mouvement qui induit un moment angulaire de spin.  Spin c’est une particule qui peut tourne autour de lui- même, il peut être chargé + ou -.  Ce spin qui est un concept quantique de la mécanique quantique est un vecteur axial donc il a une direction et un module quantifier qui est égale à ½ pour l’atome d’H.  Exemple: l'atome de deutérium (), on trouve un électron, un proton et un neutron, le spin d’électron = -1/2 et le spin nucléaire = 1.  Le spin nucléaire Une atome possède:  Un moment cinétique: le spin (S)  Un moment magnétique: = avec: =le rapport gyromagnétique  Le spin nucléaire Dans la résonance magnétique nucléaire, seulement les spins nucléaires individuels qui ont d'importances. Seul les atomes qui possède un nombre de particule impaire peuvent introduit à la réalisation d’un signal RMN.  Prenant comme exemple l'atome d’hélium 2 protons et 2 neutrons qui seront annulé 02 par 02: spin=0  =0  n’est pas considéré comme un spin. Le spin nucléaire En IRM, les noyaux qui ont plus d’intérêt sont :  Mouvement de précession et fréquence de Larmor en IRM  Les spins ont un mouvement de rotation et décrivent un cône autour de l'axe de B0 : c'est le mouvement de précession. On peut apparenter le mouvement de précession au mouvement d'une toupie qui bascule et reste en équilibre en rotation.  La vitesse de précession est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique. On la caractérise par la fréquence de précession ω0 (nombre de rotation par seconde) : ω0 = γ B0.  Aimantation macroscopique d'une population de spins  En l'absence de champ magnétique les protons sont orientés au hasard, telle que la somme des moments est nulle.  Placés dans un champ magnétique, le proton puisqu'il possède un moment angulaire de spin = 1/2 n'adopte que deux orientations correspondant à des niveaux d'énergie différents:  Une dont le moment magnétique est orienté parallèlement au champ magnétique B0  l'autre antiparallèlement au champ magnétique appliqué B0  Statistique de Boltzmann  Quand un groupe de spins est placé dans un champ magnétique, chaque spin s’alignera dans l'une des deux orientations possibles (haut ou bas). C’est la distribution de Boltzmann K: cst de Boltzmann T: température en kelvin : nombre de proton au niveau d’énergie bas : nombre de proton au niveau d’énergie haut : niveau d’énergie bas=-1/2 : niveau d’énergie haut=1/2  Les spins possédant des moments magnétique parallèle au B0 sont placés au niveau d’énergie bas.  Les spins possédant des moments magnétique antiparallèle au B0 sont placés au niveau d’énergie haut.  Phénomène de résonance magnétique Il peut y avoir une interaction entre une onde de radiofréquence (onde RF) et les spins en précession : c'est le phénomène de résonance, qui correspond à un transfert d'énergie entre deux systèmes ayant la même fréquence. L'onde de radiofréquence va entraîner un phénomène de résonance seulement si sa fréquence est la même que celle de précession des spins. Elle va apporter de l'énergie au système de spins : c'est la phase d'excitation. Lorsque l'émission de radiofréquence est interrompue, le système va restituer l'énergie absorbée pour retourner à l'état d'équilibre de départ : c'est la phase de relaxation.  Phase d'excitation (modèle quantique) L'onde RF provoque une bascule de l'aimantation tissulaire, résultante d'un groupe de spins placés dans un champ magnétique. Cette bascule est liée à un transfert d'énergie vers le système de spins. Au niveau quantique, elle se traduit par une modification des niveaux énergétiques des spins (passage de l'état de basse énergie "parallèle" vers le niveau de haute énergie "antiparallèle") et de leurs phases.  Phase d'excitation (modèle classique)  On peut décomposer l'aimantation tissulaire en une composante longitudinale (selon l'axe Z, dans l'axe de B0) et une composante transversale. La phase d'excitation, et la bascule, se traduisent par une diminution de l'aimantation longitudinale (qui peut aller jusqu'à s'inverser), et l'apparition d'une aimantation transversale (sauf pour une bascule à 180°).  L'aimantation longitudinale est la traduction de la différence de population entre spins "parallèles" et "antiparallèles". 𝐵 0 L'aimantation transversale est la traduction de la mise en  Si l'on prend l'exemple d'une onde RF 90 ° : il n'y a plus de phase plus ou moins complète composante longitudinale car il y a égalisation des des spins. populations "parallèle " et "antiparallèle". Par contre, il apparait une composante transversale car les spins sont mis en phase.  Phase de relaxation La relaxation correspond au retour à l'équilibre de l'aimantation tissulaire. Elle s'accompagne d'une émission d'énergie sous la forme d'ondes RF qui constituent le signal enregistré en RMN. Elle se décompose en 2 phénomènes obéissant à des mécanismes très différents :  la relaxation longitudinale qui correspond à la repousse de la composante longitudinale  la relaxation transversale, qui correspond à la chute de l'aimantation transversale. la relaxation longitudinale  La repousse longitudinale correspond au retour au niveau de basse énergie ("parallèle") des spins excités. C'est la relaxation spin-réseau.  La croissance de l'aimantation longitudinale lors de la relaxation suit une courbe exponentielle. Elle est caractérisée par le temps T1.  Le T1 correspond au temps nécessaire pour que l'aimantation longitudinale retourne à 63 % de sa valeur finale.  Le temps T1 est de l'ordre de 200 à 3000 ms pour un champ de 1,5 Tesla. Il est caractéristique des tissus et dépend de la mobilité des molécules où sont engagés les noyaux d’hydrogène. Le temps T1 est plus court pour de grosses molécules.  La relaxation transversale  La relaxation transversale est due au déphasage des spins : le déphasage est lié aux interactions spins-spins qui créent des hétérogénéités de champ, et donc de fréquence de précession.  Les spins n'ayant pas exactement la même fréquence, ils se déphasent rapidement.  Cette chute de l’aimantation transversale suit une courbe exponentielle décroissante caractérisée par le temps T2  Le T2 correspond au temps mis par l'aimantation transversale pour revenir à 37 % de sa valeur initiale.  La relaxation transversale est beaucoup plus rapide que la relaxation longitudinale : T2 est toujours plus court ou égal à T1.  Inhomogénéités de champ (T2*)  Dans un système idéalisé, tous les noyaux précessent à la même fréquence. Cependant, dans les systèmes réels, les inhomogénéités du champ magnétique principal conduisent à une dispersion des fréquences de résonance autour de la valeur théorique (effet d' off-resonance).  Au cours du temps, ces irrégularités accentuent le déphasage de l'aimantation transversale et la perte de signal.  La relaxation transversale observée est donc décrite par un temps T2*, généralement beaucoup plus petit que le T2 « vrai » :  où T2' décrit la perte de signal résultant exclusivement des inhomogénéités du champ magnétique principal. Pour les molécules statiques, cette décohérence est réversible et le signal peut être récupéré en effectuant une expérience d'écho de spin.  Inhomogénéités de champ (T2*)  Champ magnétique imparfait, + courant dans bobines de Shim  Résultat: FID plus long, (+ T2 que T2*)  Impulsion RF de 90°  Une série d'impulsions RF appelé séquence d'impulsions appliquée à un échantillon permet de produire un signal RMN.  Dans la séquence d'impulsions FID-90, l’aimantation nette tourne autour de l’axe Z, elle passe au plan XY avec un angle de 90o  Une impulsion RF de 90° entraîne une bascule du vecteur d’aimantation tissulaire global (aimantation nette) correspondant à une disparition de l’aimantation longitudinale et à l’apparition d’une aimantation transversale.  Après arrêt de l’impulsion RF, survient le phénomène de relaxation, c'est-à-dire une chute de l’aimantation transversale et une repousse de l’aimantation longitudinale.  Grâce à une bobine (antenne) on peut enregistrer le vecteur magnétique transversal en mouvement. C’est une sinusoïde de fréquence constante amortie par une exponentielle de temps appelée "signal de précession libre" (FID : Free Induction Decay).  Impulsion RF de 90°  Un diagramme temporel est un ensemble de tracé de certains aspects des séquences d'impulsions en fonction du temps.  Un diagramme temporel pour une séquence d'impulsions FID-90 est un diagramme qui représente les deux tracés, le tracé de l'énergie RF et celui du signal en fonction du temps.  Si cette séquence est répétée, l'amplitude du signal (S) dépend de T1 et TR (temps de répétition). L'équation du signal est :  Où est la constante de proportionnalité et est la densité de spins dans l'échantillon.  La séquence Spin-Echo  t=0 : Application de l’impulsion 90° qui bascule dans le plan transversal (les 4 spins sont en phase et l’aimantation transversale est maximale ). =Une autre séquence d'impulsions  T=TE /2 : Application de l’impulsion 180°, Les spins se rephasent peut être utilisé c’est la séquence  T=TE les spins sont rephasés, le signal réapparaît sous forme d’écho et il d'impulsions peut être mesuré.spin-écho. Cependant les spins ne sont pas parfaitement rephasés (alignés en parallèle). Ce déphasage est la conséquence de la relaxation spin-spin (irreversible). Le vecteur (signal mesuré) est légèrement plus petit que.  L'équation du signal pour une séquence spin -écho répété en fonction du temps de répétition, TR, et le temps d'écho (TE), est définie comme suit :  TE est le temps entre l'impulsion 90 et l'amplitude maximale de l'écho.  Cette équation n'est valable que si TR>> TE.  La séquence Inversion de récupération  La séquence d'impulsion inversion de récupération peut également être utilisée pour enregistrer un spectre RMN. Dans cette séquence, on applique en premier temps une impulsion de 180. L'aimantation tourne autour de l’axe Z jusqu’à l'axe -Z. L'aimantation subit une relaxation spin-réseau et retourne vers sa position d'équilibre sur l'axe +Z.  Avant d'atteindre l'équilibre, une impulsion de 90 o est appliquée, l'aimantation longitudinale tourne dans le plan XY. Dans cet exemple, l'impulsion de 90 o est appliquée un peu après l'impulsion de 180 o.  Une fois que l'aimantation atteint le plan XY, elle tourne autour de l'axe Z et puis elle se déphase en donnant le signal FID.  Le diagramme suivant montre la position relative des deux impulsions radio fréquence et le signal.  Le signal en fonction de TI (pour une seule séquence) est :  La séquence Inversion de récupération (Séquence FLAIR ou FLAIR T2)  Il s'agit d'une séquence en inversion-récupération pondérée T2 sur laquelle on a « supprimé » le signal de l'eau libre (et donc du liquide céphalo-rachidien), qui apparaît alors en hyposignal, en adaptant le temps d'inversion. Cette séquence est très utilisée dans l'exploration cérébrale (notamment du cortex et des parois ventriculaires), l'œdème, la nécrose  La fonction passe par zéro lorsque TI = T1 ln 2.  Quand une séquence inversion de récupération est répété toutes les TR, l'équation du signal devient :