IV.2 Imagerie sub-longueur d’onde par modes localisés
V.1.2 Imagerie par Résonance Magnétique
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique d’imagerie médicale. Elle permet à partir de la mesure d’un signal RMN d’obtenir des images 2D et 3D d’un corps et ce de façon non invasive avec une bonne résolution et sans employer de rayonnement ionisant.
V.1.2.1 Développement et Fonctionnement
L’IRM a vu le jour dès les années 1970, notamment grâce à Raymond Vahan Damadian qui voulait appliquer la RMN à la détection des tumeurs. Les techniques vont ensuite évoluer très rapidement. Les premières images de tissus humains seront produites en 1975 par Peter Mansfield. L’IRM est rapidement devenue une technique dominante du domaine de l’imagerie médicale. L’IRM en pratique clinique ne s’intéresse qu’au noyau d’hydrogène 1H, le proton, car il est très abondant dans le corps humain. D’autres noyaux présents dans
V.1. L’imagerie par Résonance Magnétique 113
le corps humain ont des propriétés magnétiques : 13C, 19F, 31P, 23Na. Étant donné leur
très faible proportion dans les milieux biologiques par rapport à 1H, et la nécessité d’une
chaîne radio-fréquence adaptée à leur fréquence de résonance, ils sont surtout étudiés dans le domaine de la recherche.
Figure V.3 – Représentation schématique globale d’un IRM, image issue u site du MagnetLab.
Les éléments principaux, présentés sur la figure V.3 d’un appareil d’IRM sont : - Un aimant permanent ;
- Une antenne radio-fréquence ; - Des gradients.
Le champ permanent : Un appareil d’IRM est constitué d’un aimant permanent qui
produit le champ magnétique constant principal B0. Les valeurs de ce champ varie pour
les IRM cliniques entre 0.1 et 7 Tesla. Des études pré-cliniques sont en cours pour des IRM de plus de 10 Tesla, les recherches allant jusque 17 Tesla chez l’animal. Les principales recherches sur l’aimantation permanente portent sur :
- un champ magnétique d’intensité élevée afin d’améliorer le rapport signal sur bruit ; - une bonne stabilité temporelle (le champ magnétique doit dériver le moins possible) ; - une bonne homogénéité du champ.
Aujourd’hui, l’aimant supraconducteur est l’aimant qui répond le plus à ces 3 critères. Il est constitué d’une bobine de fils conducteur très fins mise à très basse température de façon à ce que sa résistance soit nulle. Ceci permet d’avoir un ampérage élevé et une absence de pertes par effet joule. Par contre, cela nécessite une lourde enceinte cryogénique autour de l’aimant.
L’augmentation des champs magnétiques permanents permet une amélioration impor- tante de la qualité des images obtenues par IRM. Cependant, cela introduit certaines complications notamment vis à vis de l’homogénéité du champ.
L’antenne radio-fréquence : Pour exciter et faire résonner les spins des atomes que
l’on veut imager, il est nécessaire d’émettre un signal radio-fréquence à la fréquence de Larmor de ces atomes.
Les antennes utilisées en IRM sont très variables et peuvent être classées de trois ma- nières différentes :
- Selon leur géométrie : volumique et surfacique.
- Selon leur mode de fonctionnement : émettrice-réceptrice, réceptrice ou émettrice seule.
- Selon l’association ou non de différents éléments d’antennes : linéaire, en quadrature de phase ou en réseau phasé.
En réception, les antennes RF doivent avoir le meilleur rapport signal/bruit possible. Les antennes de surface sont les antennes les plus utilisées. Ce sont en général de simples boucles métalliques, circulaires ou rectangulaires, placées au dessus de la zone d’intérêt. Ce sont également des réseaux de boucles découplées entre elles. La sensibilité d’une antenne de surface diminue avec la distance à celle-ci et est en général limitée à environ une distance égale à son rayon ce qui constitue une limitation à leur utilisation. La profondeur de pénétration et l’homogénéité du champ dans un élément à imager est un problème majeur de l’imagerie IRM par antenne de surface. Il est possible d’utiliser simultanément pour l’acquisition et l’émission plusieurs antennes de surface déphasées ce qui permet d’augmenter la zone d’imagerie.
Les antennes volumiques procurent une meilleure homogénéité de champ radio-fréquence mais la sensibilité est en général réduite par rapport aux antennes de surface. De plus, cela impose de pouvoir entourer l’élement à imager avec l’antenne (difficile par exemple avec le torse). Les antennes volumiques les plus connues et répandues sont les antennes de type birdcage (cage à oiseau).
Les constructeurs d’antennes participent activement à l’amélioration des antennes en augmentant notamment le nombre d’éléments. Pour des champs permanents supérieurs à 3 Tesla, les longueurs d’onde diminuent ce qui pose des problèmes d’homogénéité et poussent les recherches vers de la transmission parallèle. Celle-ci a cependant un coût élevé et est très compliquée électroniquement et ne fonctionne pour l’instant pas très bien.
Les gradients : Pour former les images RMN, il faut réussir à localiser spatialement le
signal qui a été reçu par l’antenne radio-fréquence réceptrice. Ceci est réalisé grâce à l’in- troduction de gradients de champs magnétiques. Trois bobines métalliques sont enfermées dans un cylindre en fibres de verre et placées dans le tunnel de l’aimant. On les nomme respectivement : bobine X, bobine Y et bobine Z. Le passage d’un courant électrique dans ces bobines crée des variations d’intensité du champ magnétique dans le tunnel, de façon linéaire dans le temps et dans l’espace. En fonction de sa géométrie, chaque bobine fait varier le champ magnétique selon un axe spécifique. Les gradients sont appliqués dans les 3 dimensions de l’espace à des temps différents au moment des impulsions RF et in- duisent un gradient de vitesse de précession des spins selon le même axe. Les protons qui tournent plus vite ou moins vite que la fréquence de Larmor ne vont donc pas entrer en résonance. Les gradients permettent ainsi de déterminer la localisation spatiale des signaux enregistrés.
V.1. L’imagerie par Résonance Magnétique 115 V.1.2.2 Les enjeux en IRM
Les progrès de l’IRM portent sur la rapidité, la résolution, et la multi-modalité. On assiste aux développements de nombreuses applications différentes : la spectroscopie qui donne des informations biochimiques in vivo, l’IRM fonctionnelle, l’IRM de diffusion, l’IRM de perfusion, etc. L’imagerie multimodale est utilisée dans la prise en charge des tumeurs malignes et des cancers du cerveau. Deux axes sont particulièrement étudiés : l’amélioration de la qualité des images et la montée en champ des IRM.
Amélioration de la qualité de l’image. Améliorer la qualité de l’image consiste dans
un premier temps à travailler sur sa résolution spatiale. Celle-ci dépend de la matrice spatiale d’enregistrement de l’image, du champ de vue et de l’épaisseur de la coupe. Le contraste doit également être optimisé en fonction de l’objectif de l’étude.
Montée en fréquence. Monter en champ, permet de nettement améliorer la résolution
des images, ce qui est particulièrement recherché pour l’imagerie du cerveau. La résolution spatiale est la dimension du plus petit détail observable et mesurable : le voxel. La montée en puissance des champs statiques des IRM permet de diminuer la taille des voxels et donc d’affiner la résolution. Cependant, plus le champ magnétique statique est élevée, plus la fréquence de travail l’est. Les problèmes liés à la pénétration des ondes dans les tissus (interférences, artefacts. . . ) exigent un travail de recherche en amont afin d’optimiser l’appareil et d’exploiter correctement sa puissance. La recherche de nouvelles antennes RF est particulièrement nécessaire dans les hautes fréquences. Les études commencent à être satisfaisantes pour l’imagerie du cerveau mais ce n’est pas le cas pour des objets de plus grandes tailles tels que le torse, pour lesquels les chercheurs obtiennent paradoxalement une meilleure définition avec un champ plus faible. Des travaux de recherche sont donc poursuivis en vue des utilisations cliniques à haut champ.
En outre, plus les champs sont d’intensité élevée, plus ils requièrent des précautions afin de limiter leurs influences à l’extérieur de l’IRM. Plusieurs tonnes d’acier sont nécessaires pour l’isolation ce qui génère un coût et un encombrement très élevés. L’appareil représente aujourd’hui lui-même un investissement de l’ordre de 10 millions de dollars.
Il reste enfin la question des effets potentiels des ondes électromagnétiques sur les êtres vivants. Le débit d’absorption spécifique, plus connu sous sa dénomination SAR pour Specific Absorption Rate, augmente avec la montée en champ des IRM. Or il provoque un échauffement des tissus exposés. Les "points chauds" présentés par certaines antennes empêchent leurs utilisations en imagerie clinique. Un objectif des antennes RF est donc d’obtenir des champs RF avec un champ magnétique fort et le plus homogène possible tout en maintenant le champ électrique le plus faible possible.
Si aucun effet néfaste n’a été prouvé à ce jour, et malgré la faible toxicité supposée des ondes électromagnétiques - par exemple par rapport aux rayons X- le principe de précaution recommande une forte prudence en ce qui concerne le très haut champ.