Prépa médecine · Physique · 10/10

IRM et magnétisme

Un aimant de 1,5 tesla, trente mille fois le champ terrestre, des ondes radio à la fréquence d’une station FM, et les protons de l’eau du corps qui répondent en chœur. L’IRM n’ionise rien et voit le cerveau, les ligaments et la moelle comme aucune autre technique. Voici comment.

Après cette fiche, tu sais
NOTION 1

Le champ magnétique et la force de Lorentz

Un champ magnétique B (en tesla) est créé par des aimants permanents ou par des courants. Une charge en mouvement dans ce champ subit une force perpendiculaire à la fois à sa vitesse et au champ : elle ne l’accélère pas, elle la fait tourner. Un fil parcouru par un courant subit la même force : c’est le principe des moteurs, des haut-parleurs et du claquement des gradients d’IRM.

F = q · v · B · sin θ  charge  ·  F = I · L · B · sin θ  fil  ·  solénoïde : B = µ₀ · n · I  µ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, n = spires par mètre  ·  rayon de giration : r = m v / (q B)
B = µ₀ n I, uniforme à l’intérieur bobine supraconductrice à 4 K : 1,5 T avec 500 A sans perte v F B sortant r = mv/(qB) : le cyclotron qui fabrique le fluor 18
Ordres de grandeur : champ terrestre 50 µT, aimant de frigo 5 mT, IRM clinique 1,5 à 3 T, IRM de recherche 7 T. La force de Lorentz ne travaille pas : elle change la direction, jamais l’énergie cinétique.
Image mentaleLe champ d’une IRM n’attire pas l’aluminium ni le titane, seulement les matériaux ferromagnétiques (fer, nickel, cobalt) : une paire de ciseaux, une bouteille d’oxygène, un lit en acier deviennent des projectiles. Le champ est toujours allumé, même la nuit, même quand la machine ne fait pas d’image.
NOTION 2

L’induction : un flux qui varie crée une tension

Faraday l’a découvert en 1831 : quand le flux magnétique à travers une boucle change, une tension apparaît dans la boucle. Peu importe la cause du changement : un aimant qui bouge, un courant qui varie, une bobine qui tourne. La loi de Lenz ajoute le signe : le courant induit s’oppose à la variation qui l’a créé.

Φ = B · A · cos θ  weber  ·  ε = −N · dt  N spires
NS mouvement V bobine : le flux qui la traverse augmente, une tension apparaît ε = −N dΦ/dt
En IRM, c’est exactement ainsi que le signal est capté : l’aimantation des protons, qui tourne à la fréquence de Larmor, fait varier le flux dans l’antenne réceptrice et y induit une tension de quelques microvolts.
À l’hôpitalL’induction est aussi le danger caché de l’IRM. Les gradients, qui changent le champ en une milliseconde, induisent des courants dans le corps : picotements, stimulation nerveuse périphérique si l’on va trop vite. Les fils d’un stimulateur cardiaque ou d’une électrode peuvent chauffer ou transmettre un courant au cœur. Et un tatouage riche en oxydes de fer peut brûler sous les impulsions radio.
NOTION 3

Le proton dans un champ : aimantation et fréquence de Larmor

Le noyau d’hydrogène, un proton seul, possède un spin et donc un petit moment magnétique : une boussole quantique. Le corps en contient des quantités astronomiques (l’eau, la graisse). Dans le champ B₀, ces boussoles ne s’alignent pas toutes : elles se répartissent entre deux états, parallèle (un peu plus stable) et antiparallèle, avec un excès minuscule, quelques millionièmes, en faveur du parallèle. C’est cet excès qui forme l’aimantation M₀ du patient, proportionnelle à B₀ : d’où la course aux hauts champs.

Chaque proton ne reste pas sagement aligné : il précesse autour de B₀, comme une toupie qui penche, à une fréquence rigoureusement proportionnelle au champ : la fréquence de Larmor.

fLarmor = γ · B₀  γ/2π = 42,58 MHz/T pour le proton  ·  1,5 T → 63,9 MHz  ·  3 T → 127,7 MHz  des ondes radio, non ionisantes
B₀ moment µ du proton précession à f = 42,58 MHz × B₀ une toupie qui penche et tourne 1 000 000 de protons à 1,5 T 500 005 parallèles contre 499 995 : l’excès de 10 fait tout le signal
Le signal IRM vient de dix protons sur un million. C’est peu, mais un millilitre d’eau en contient 7 × 10²², et l’antenne les entend tous ensemble.
Fréquence de Larmor selon le champ
NOTION 4

Excitation, relaxation T1 et T2, pondérations

Une impulsion radio exactement à la fréquence de Larmor est absorbée par les protons (résonance) et bascule l’aimantation hors de l’axe de B₀ : à 90°, elle tourne dans le plan transversal et induit le signal dans l’antenne. Puis l’impulsion cesse, et le système revient à l’équilibre de deux façons indépendantes.

temps après l’impulsion (ms)Mz repousse T1 temps après l’impulsion (ms)Mxy décroissance T2 graissemuscleLCR
Lire à un instant court après l’impulsion (TE court) et répéter vite (TR court) : les différences de T1 dominent, pondération T1. Attendre longtemps (TE long) avec un TR long : les différences de T2 dominent, pondération T2.
Que reste-t-il du signal ?
PondérationTR / TEGraisseEau, LCR, œdèmeUsage
T1court / courtblanchenoirsanatomie, après gadolinium
T2long / longgriseblancspathologie : l’eau en excès brille
FLAIRT2 avec LCR supprimégriselésions blanches, LCR noirsclérose en plaques, périventriculaire
Diffusiongradients de diffusioneau immobile brillanteAVC dès la première heure
Le gadoliniumIon paramagnétique injecté dans une cage moléculaire, il raccourcit fortement le T1 de l’eau qui l’entoure : les tissus vascularisés ou à barrière rompue (tumeur, inflammation, infarctus) deviennent blancs en T1. Ce n’est pas un produit iodé, il ne concerne pas les rayons X et ne rend pas radioactif ; on le limite en cas d’insuffisance rénale sévère.
NOTION 5

Faire une image, et comparer avec le scanner

Pour savoir d’où vient le signal, on ajoute à B₀ un gradient : un champ qui varie linéairement le long d’un axe. La fréquence de Larmor dépend alors de la position : les protons de gauche tournent un peu plus lentement que ceux de droite. Une impulsion à une fréquence donnée n’excite qu’une tranche (sélection de coupe) ; pendant la lecture, la fréquence du signal code une coordonnée et sa phase l’autre. La transformée de Fourier du signal rend l’image. Les gradients qu’on allume et éteint des milliers de fois par seconde font le bruit caractéristique de l’examen.

B = B₀ + G · x 63,80 MHz 63,87 MHz 63,94 MHz chaque position chante sur sa propre note : l’antenne entend un accord, Fourier le décompose
Un examen dure 15 à 45 minutes : des dizaines de séquences, chacune un compromis entre résolution, rapport signal sur bruit et temps. D’où l’importance de ne pas bouger.
Scanner (CT)IRM
Physiqueatténuation des rayons X, ionisantrésonance des protons, ondes radio, non ionisant
Ce qui fait le contrastedensité électronique, ZT1, T2, densité de protons, diffusion, flux
Fort pouros, poumon, hémorragie aiguë, traumatisme, urgencescerveau, moelle, ligaments, cartilage, prostate, foie
Duréesecondes15 à 45 minutes
Produit de contrasteiodegadolinium
Dose2 à 10 mSvaucune dose ionisante
Contre-indicationsgrossesse (relative), allergie à l’iode, insuffisance rénaleimplants ferromagnétiques, certains stimulateurs, corps étrangers métalliques dans l’œil, claustrophobie
Coût, disponibilitémoindre, partout, 24 h/24plus élevé, délais
Quatre dangers propres à l’IRMLe champ statique : projectiles ferromagnétiques et déplacement d’implants. Les gradients : stimulation nerveuse, bruit jusqu’à 110 dB (protections auditives obligatoires). Les radiofréquences : échauffement, mesuré par le SAR en W/kg, limité par la machine. L’hélium des aimants supraconducteurs : en cas de « quench », des milliers de litres de gaz à évacuer. Aucun de ces risques n’est cumulatif ni ionisant : on peut répéter l’IRM autant que nécessaire.
EXERCICES

À toi de calculer

µ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, e = 1,60 × 10⁻¹⁹ C, mproton = 1,67 × 10⁻²⁷ kg, γ/2π = 42,58 MHz/T. La notation 4.8e-12 est acceptée.

QUIZ

Huit questions, une réponse juste par question

À RETENIR

La fiche en huit lignes

ChampsTerre 50 µT · IRM 1,5 à 3 T · solénoïde B = µ₀nI
LorentzF = qvB sinθ · F = ILB sinθ · r = mv/(qB)
Inductionε = −N dΦ/dt · Φ = BA cosθ
Larmorf = 42,58 MHz/T × B₀ · 1,5 T → 63,9 MHz
T1, T2Mz = M₀(1 − e^(−t/T1)) · Mxy = M₀ e^(−t/T2)
PondérationsT1 : graisse blanche, eau noire · T2 : eau blanche
Gadoliniumraccourcit T1 → rehaussement en T1
Localisationgradients : position → fréquence → Fourier
PRÉREQUIS ET SUITE

Pour réviser ou boucler la boucle

Glisser pour recommencer le parcours Unités, ordres de grandeur et incertitudes
Bachelor Médecine