Notions de base en imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM)

(1)

(2)

Stages en IRM

 IRM-CEST pour imager le réseau de

gluten

 Mesure de flux de sèves sur des

plantes dans leur environnement naturel par RMN portable

(3)

Notions de base en imagerie par

résonance magnétique nucléaire

(IRM)

(4)

La RMN d’un point de vue

microscopique

(5)

Le spin

 Propriété interne des particules

 Spin = Moment cinétique intrinsèque des

particules

 Quel spin nucléaire (I) pour quel atome?

� � � Nucléons Protons Atome

A impair alors I demi-entier Z pair alors I=0

(6)

Spin et champ magnétique externe

 Spin = petit aimant

 Champ magnétique externe absent

Moment magnétique macro. NUL

 Champ magnétique externe

Orientation des spins par rapport au champ magnétique externe

(7)

Spin et champ magnétique externe

Sans champ magnétique

(8)

Moment angulaire du spin

La précession

 Dans un champ B₀, rotation du spin

autour de l’axe de B₀ B₀ Précession à la fréquence de Larmor �_�= −� �� � �

(9)

Quelques ordres de grandeurs

 Précession dépend de B₀ et du noyau

Noyaux g (x10 6 rad.s-1_.T -1₎ B₀ (T) 1,5 3,0 4,7 11,7 Fréq uen ce (MH z) 1_H _267,5 _63,8 _127,7 ₂₀₀ ₅₀₀ 13_C _67,3 ₁₆ ₃₂ ₅₀ ₁₂₅ 31_P _108,3 _25,8 _51,7 ₈₀ ₂₀₁

(10)

Niveaux d’énergies

 Moment cinétique : propriété quantifiée

(mécanique quantique)

 Nombre de niveaux d’énergie dépend de

I: 2I + 1

 Cas de l’atome 1H:

 Spin ½

(11)

Niveaux d’énergies

 Levé de dégénérescence des états

propres du spin

(12)

Différence de population

 Exprimée à partir de la distribution de

Boltzmann Sensibilité dépend de B₀ |b> |a> �_� � _� =�� −∆� �� k=constante de Boltzmann ∆ �=� ħ �_� �_� � _� =�� −� ħ �_� ��

(13)

La sensibilité en RMN

 Différence de population entre les 2

états pour le 1H �_� � _� =�� −� ħ �_� �� T (K) g (x10 6 rad.s-1_.T-1₎ B₀ (T) 1,5 3,0 4,7 11,7 4 267,5 298 k= 1,381x10-23 m².kg.s-2.K-1 = 1,054x10-34 T (K) g (x10 6 rad.s-1_.T-1₎ B₀ (T) 1,5 3,0 4,7 11,7 4 267,5 8x10 -4 _16x10-4 _24x10-4 _60x10-4 298 10-5 _2x10-5 _3x10-5 _8x10-5

(14)

La sensibilité en RMN

 Différence de population entre les 2

états pour le 1H

 1 atome sur 100 000 participe au signal

RMN

(15)

En résumé

Les propriétés magnétiques microscopiques d’un noyau (IRM) et son comportement

dans un champ magnétique permettent d’obtenir une aimantation macroscopique

résiduelle (faible différence de population) de l’échantillon

(16)

La RMN d’un point de vue

macroscopique

(17)

Une méthode spectroscopique

 Perturbation des populations et

observation de leur retour à l’équilibre

 RMN = radiofréquence (l~m)  Echantillon placé dans B₀

 Perturbation par une impulsion RF

 Enregistrement du signal lors du retour à

l’équilibre des spins

 Sensibilité différence de population

(18)

Un peu de formalisme

 Représentation vectorielle de

l’aimantation macroscopique

 B₀ aligné selon l’axe z

 Repère tournant à (ou aux environs de)

(19)

Un peu de formalisme

 Représentation vectorielle de

l’aimantation macroscopique

 B₀ aligné selon l’axe z

 Repère tournant à (ou aux environs de)

la fréquence de Larmor_z

y’ x’

(20)

Excitation des spins

 Impulsion RF de champ d’excitation B₁  B₁ B₀

 Transitions entre les niveaux

z y’ x’ ∆ �=� ħ �_� Aimantation macroscopique Excitation B₁

(21)

Représentation de l’aimantation

 Composante de l’aimantation z y’ x’ _{Longitudinale Mz} Transversale Mx’y’ Mz Mx’ My’

�

=

√

�

+

∆

�

� z y’ x’ DB B₁ B_eff

(22)

Equations de Bloch & référentiel fixe

 Equations pour calculer l’aimantation

macroscopique en fonction du temps

 Formes simplifiées (pas de relaxation)

�

(

�

)

=

₍

�

_�

(

�

)

,

�

_�

(

�

)

,∆

�

₀

(

�

)

₎

(23)

Equations de Bloch & référentiel fixe

 Formes simplifiées (pas de relaxation)

(24)

Equations de Bloch & référentiel fixe

 Avec relaxation

(25)

Equations de Bloch & référentiel

tournant

 Champ B₁ tournant à w

 Référentiel tournant à la vitesse w₀  B₁ appliqué sur l’axe Ox’

 Posons

(26)

Equations de Bloch & référentiel

tournant

z y’ x’ Mz Mx’ My’

(27)

Le signal RMN

 Détection en quadrature:

enregistrement de Mx et My

 Oscillation du signal (cos pour My et sin

(28)

Le signal RMN …

 Détection en quadrature:

enregistrement de Mx et My

 Oscillation du signal (cos pour un axe et

sin pour l’autre axe)

 Expression du signal sous forme

∆=� −�₀

(29)

… et sous forme complexe

(30)

Généralisation: temps et espace

Démodulation par rapport à w₀

(31)

Quelques notions RMN:

Déplacement chimique et

homogénéité de champ B

₀

(32)

Déplacement chimique d

 Champ magnétique local dépendant de la

structure chimique: écran électronique

 Varie légèrement les niveaux d’énergie  w ≠ w₀

(33)

Définition de d

 Valeur de d indépendante de B₀  Exprimé en ppm �= �− �� �_{��}

(34)

Exploitation de d

 Utilisé en spectroscopie RMN (SRM)

 Permet de déterminer des structures

moléculaires, des [métabolites] in-vivo (voir cours SRM)

(35)

Homogénéité du champ magnétique

 Homogénéité = même fréquence de

précession pour des molécules identiques

 Homogénéité de quelques ppm (soit Hz)  Pourquoi le champ doit être homogène:

 Résolution

(36)

Echo de spin

 Un des schémas de BASE de la RMN !!

Excitation RF Déphasage Après délai t, inversion Après délai 2t, rephasage

(37)

La relaxation

 T₁ = relaxation longitudinale  T₂ = relaxation transversale z x’ y’

(38)

Mécanismes de relaxation

 Relaxation dipolaire

 Orientation des spins ne change pas (B₀)  Position change à cause de l’agitation

thermique

Champ fluctuant

 Relaxation paramagnétique

 Présence d’une molécule contenant un e

-libre

(39)

Relaxation T

₁

 Transfert d’énergie du spin vers le

réseau

(40)

Relaxation T

₂

 Décroissance de l’aimantation dans le

plan XY

 Interactions entre les spins et leurs

(41)

L’équipement RMN:

Introduction

(42)

Création de l’aimantation

(43)

Les sondes RMN

 Emission: excitation des spins

 Réception: enregistrement du signal  Sondes volumique et/ou de surface  Bobine(s) RF