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
Notions de base en imagerie par
résonance magnétique nucléaire
(IRM)
La RMN d’un point de vue
microscopique
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
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
Spin et champ magnétique externe
Sans champ magnétique
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 ��= −� �� � �
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) 1H 267,5 63,8 127,7 200 500 13C 67,3 16 32 50 125 31P 108,3 25,8 51,7 80 201
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
Niveaux d’énergies
Levé de dégénérescence des états
propres du spin
Différence de population
Exprimée à partir de la distribution de
Boltzmann Sensibilité dépend de B0 |b> |a> �� � � =��� −∆� �� k=constante de Boltzmann ∆ �=� ħ �� �� � � =��� −� ħ �� ��
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
La sensibilité en RMN
Différence de population entre les 2
états pour le 1H
1 atome sur 100 000 participe au signal
RMN
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
La RMN d’un point de vue
macroscopique
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
Un peu de formalisme
Représentation vectorielle de
l’aimantation macroscopique
B0 aligné selon l’axe z
Repère tournant à (ou aux environs de)
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 Larmorz
y’ x’
Excitation des spins
Impulsion RF de champ d’excitation B1 B1 B0
Transitions entre les niveaux
z y’ x’ ∆ �=� ħ �� Aimantation macroscopique Excitation B1
Représentation de l’aimantation
Composante de l’aimantation z y’ x’ Longitudinale Mz Transversale Mx’y’ Mz Mx’ My’�
=
√
�
�+
∆
�
� z y’ x’ DB B1 BeffEquations de Bloch & référentiel fixe
Equations pour calculer l’aimantation
macroscopique en fonction du temps
Formes simplifiées (pas de relaxation)
�
(
�
)
=
(
�
�(
�
)
,
�
�(
�
)
,∆
�
0(
�
)
)
Equations de Bloch & référentiel fixe
Equations pour calculer l’aimantation
macroscopique en fonction du temps
Formes simplifiées (pas de relaxation)
Equations de Bloch & référentiel fixe
Equations pour calculer l’aimantation
macroscopique en fonction du temps
Avec relaxation
Equations de Bloch & référentiel
tournant
Champ B1 tournant à w
Référentiel tournant à la vitesse w0 B1 appliqué sur l’axe Ox’
Posons
Equations de Bloch & référentiel
tournant
z y’ x’ Mz Mx’ My’Le signal RMN
Détection en quadrature:
enregistrement de Mx et My
Oscillation du signal (cos pour My et sin
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
… et sous forme complexe
Généralisation: temps et espace
Démodulation par rapport à w0
Quelques notions RMN:
Déplacement chimique et
homogénéité de champ B
0Déplacement chimique d
Champ magnétique local dépendant de la
structure chimique: écran électronique
Varie légèrement les niveaux d’énergie w ≠ w0
Définition de d
Valeur de d indépendante de B0 Exprimé en ppm �= �− ���� ��������Exploitation de d
Utilisé en spectroscopie RMN (SRM)
Permet de déterminer des structures
moléculaires, des [métabolites] in-vivo (voir cours SRM)
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
Echo de spin
Un des schémas de BASE de la RMN !!
Excitation RF Déphasage Après délai t, inversion Après délai 2t, rephasage
La relaxation
T1 = relaxation longitudinale T2 = relaxation transversale z x’ y’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
Relaxation T
1 Transfert d’énergie du spin vers le
réseau
Relaxation T
2 Décroissance de l’aimantation dans le
plan XY
Interactions entre les spins et leurs
L’équipement RMN:
Introduction
Création de l’aimantation
Les sondes RMN
Emission: excitation des spins
Réception: enregistrement du signal Sondes volumique et/ou de surface Bobine(s) RF