Lorsque les atomes sont plongés dans un champ magnétique, les électrons des atomes ont tendance à modifier leur mouvement créant ainsi un très faible champ magnétique s’opposant à B0. Ce phénomène est le diamagnétisme. Dans le cas d’électrons délocalisés comme pour les noyaux aromatiques ou dans le cadre d’électrons non appariés, le champ magnétique ressenti par les noyaux sera un peu plus fort. Ce phénomène est le paramagnétisme électronique. Ces deux effets sont proportionnelle à B0 et la constante exprimant cette relation de proportionnalité est la constante d’écran notée σ. Ainsi la fréquence de Larmor (υL) d’un noyau peut s’écrire :
ɓ ൌ ɓൈ ሺͳ െ ɐሻ
Eq. I-31 Avec υ0 la fréquence de résonance liée à B0 et σ la constante d’écran.
La constante d’écran varie selon l’espèce chimique ainsi des noyaux identiques mais constituant des substances chimiques différentes résonnent à des fréquences différentes.
Afin de standardiser ces notions, il est nécessaire d’introduire une grandeur: le déplacement chimique (δ).
Ɂ ൌ ɓ െ ɓ୰ୣ ɓ୰ୣ ൈ ͳͲ
Eq. I-32 Avec υref la fréquence de résonance du tetra-methyl-silane choisit comme référence en RMN du proton car cette espèce est inerte chimiquement et soluble dans tous les solvants organique. Le déplacement chimique est indépendant de la fréquence du champ statique B0 et exprimé en ppm.
Si l’on considère une molécule d’eau et un acide gras, l’agencement des protons n’est pas le même, les protons sont plus éloignés les uns des autres dans la chaine carbonée des acides gras que dans la molécule d’eau. Ainsi la constante d’écran, donc la fréquence de résonance du proton constituant la molécule d’eau est différente du proton peuplant la chaine carbonée des lipides.
En imagerie, lors de l’application du gradient de lecture (codant en fréquence), la position d’un élément de l’image est représentative de sa fréquence de résonance. Une zone graisseuse apparait alors translatée par rapport à sa position initiale suivant la direction d’application du gradient de lecture. Ce phénomène est responsable de l’artefact de déplacement chimique (Fig. I-33).
L’artefact de déplacement chimique a été observé en premier sans être expliquée par Hricak et al qui reportait un artefact en forme de croissant sombre visible à la jonction entre le rein et la graisse périrénale (70). Soila et al. ont par la suite interprété cet artefact comme un artefact de déplacement chimique en faisant l’analogie avec un artefact rencontré lors de l’acquisition d’un fantôme constitué d’huile entouré par un récipient d’eau. Le signal de l’huile apparaissait déplacé dans la direction du codage de fréquence avec la présence d’une bande en asignal à l’interface et en hypersignal à l’opposé correspondant à la superposition des intensités des deux signaux. En changeant la direction du codage de fréquence, l’artefact changeait aussi de direction et ce phénomène se reproduisait également sur le rein (71).
Chapitre 2: Quantification non-invasive des hépatopathies chroniques: Etat de l'art
Quantification non-invasive de la stéatose hépatique - L'échographie pour la quantification de la stéatose
80 Cet artefact est l’artefact de déplacement chimique du 1er type, il est visible si le décalage est supérieur à un pixel et intervient aussi bien en écho de spin qu’en écho de gradient. La prédominance de cet artefact va donc être modulée par le choix de la bande passante de réception. Si l’on choisit une bande passante étroite, la bande passante par pixel sera faible et le déplacement en nombre de pixel sera important. En revanche, en attribuant une large bande par pixel, cet artefact sera minoré voir supprimé. La relation permettant de définir, en pixel, l’erreur de codage ('xG) liée au déplacement chimique G en ppm à est :
'୶G ൌ Gbୣୡ୲୳୰ୣ
Eq. I-33 avec b le rapport gyromagnétique réduit du proton (en MHz/T), B0 l’intensité du champ magnétique statique, NLecture le nombre de points acquis suivant la direction de la lecture et BP la bande passante de réception. Due à l’absence d’impulsion de refocalisation, les séquences de type écho de gradient vont être soumises à un second type d’artefact de déplacement chimique : L’artefact de déplacement chimique du 2ème type.
Prenons l’exemple des protons de l’eau et de la graisse dans un champ magnétique à 3.0T en écho de gradient. Juste après l’impulsion RF (α), les aimantations sont en phase et vont évoluer et acquérir un déphasage avant d’être rephasé de nouveau au temps TE par l’écho de gradient. Le déplacement chimique des protons de l’eau est de 4,7 ppm. Considérons que la graisse compte une seule résonance, la résonance principale du spectre des lipides située à 1.3 ppm. Dans ce cas, la différence de déplacement chimique entre les protons de l’eau et les protons de la graisse est de 3.4 ppm. Dans un champ B0 à 3.0T ceci implique une différence de fréquence de précession de 434 Hz. Les aimantations des protons de l’eau précessent un peu plus vite que celle de la graisse et font 434 tours de plus que la graisse chaque seconde. Ainsi, il existe une périodicité pour laquelle les protons de l’eau et ceux de la graisse sont en phase. Cette période est 1/434 soit 2,3 ms.
Ainsi dans un tissu composé d’eau et de graisse, si le temps d’écho de la séquence est multiple de cette période, l’interférence est constructive et le signal recueilli sera maximum. En revanche, si le temps d’écho est multiple d’une demi-période soit 1,15 ms, les protons de l’eau et de la graisse se retrouvent en opposition de phase, l’interférence est destructive, entrainant une diminution du signal recueilli. Ce phénomène se manifeste particulièrement à l’interface située entre les organes et la graisse qui les entourent. Les voxels correspondants sont approximativement composés de 50% de lipides et de 50% d’eau ce qui provoque une chute de signal se traduisant par un liseré noir à l’interface. Cette manifestation visible de l’artefact de déplacement chimique de 2ème ordre est nommée « india ink artefact ».
En imagerie classique, cet artefact n’est pas souhaitable et les TE sont ajustées en fonction. En revanche, cet artefact est grandement exploité dans les techniques de quantification de la graisse. Les
TE sont alors ajustés pour être multiple de la période de phasage des protons de l’eau et de la graisse (TE dit « in-phase ») et demi-multiple (TE dit « out-of-phase »).
En raison de leur sensibilité au déplacement chimique de second ordre, les séquences échos de gradients, en particulier les séquences FLASH et turbo-FLASH pour leur rapidité, sont les séquences à la base des développements mis en œuvre pour la quantification de la graisse intra-hépatique.