Résonance magnétique nucléaire

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La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.

C'est un phénomène par lequel un noyau de l'atome considéré absorbe les rayonnements électromagnétiques d'une fréquence spécifique en présence d'un fort champ magnétique. Isidor Isaac Rabi a découvert ce phénomène en 1938. La résonance magnétique a par la suite été appliquée à la détection des atomes légers tel que l'hydrogène.

Sommaire

Principe

Dans cette méthode on utilise le spin des noyaux des atomes. Certains noyaux possèdent un spin nul (généralement ceux de nombre de masse pair) mais d'autres ont un spin nucléaire différent de zéro, ce qui implique que l'on peut leur associer un moment magnétique nucléaire (sorte de petit aimant). Les atomes de carbone 12 et d'oxygène 16 sont très répandus mais leur spin nucléaire est nul. En revanche l'hydrogène n'a qu'un proton et son moment magnétique nucléaire est ainsi non nul : la résonance magnétique de l'hydrogène (du proton) est donc la plus utilisée. Il est en particulier important de faire remarquer que l'adjectif nucléaire employé ici n'a aucun rapport avec les phénomènes de radioactivité, mais fait juste référence au noyau atomique.

La physique quantique nous apprend qu'un moment magnétique microscopique placé dans un champ magnétique extérieur peut avoir 2 énergies possibles (2 niveaux d'énergie). La RMN consiste à faire passer le moment magnétique nucléaire du niveau de plus basse énergie à celui de plus grande énergie (ce qui revient à « retourner » le spin) par absorption d'un photon : lorsque l'énergie du photon (et partant la fréquence de l'onde électromagnétique) permet cette transition il y a résonance. Pour les champs usuels (de l'ordre du tesla) la résonance du proton a lieu dans le domaine des ondes radio (100MHz environ). 42 MHz dans un champ de 1,0 T et 63 MHz dans un champ de 1,5 T.

Utilisations

Le caractère non destructif de cette technique analytique a conduit à divers développements de cette méthode qui est désormais employée en médecine pour étudier le corps humain (IRM), ou en chimie organique pour réaliser des analyse structurales.

C'est un outil de biophysique très utilisé en génomique structurale pour obtenir une 'image' en 3D des molécules du vivant.

La RMN en médecine et en biophysique

Image:MRI head side.jpg

L'image à résonance magnétique nucléaire (IRM) est une technique d'imagerie médicale permettant d'avoir une vue 2D ou 3D d'une partie du corps. Cette technique est très utile pour l'observation du cerveau. Grâce aux différentes séquences (séquence IRM), on peut observer différents tissus avec des contrastes très élevés mais une résolution spatiale médiocre comparée au scanner.

La localisation spatiale est obtenue en ajoutant un gradient directionnel sur le champ magnétique de base. La relaxation des protons sera alors modifiée par la variation du champ magnétique. Des techniques de traitement du signal utilisant les algorithmes de transformées de Fourier rapides Fast Fourier Transform, FFT permettent alors de localiser l'événement.

La résolution est liée à la valeur du champ magnétique (de l'ordre du tesla en 2000) et de la durée de l'examen (en général une dizaine de minutes). Elle est actuellement de l'ordre du millimètre.

Pour la petite histoire, le nom complet est image à résonance magnétique nucléaire, alors que dans les centres médicaux, on omet souvent le nucléaire. Cette omission est surtout là pour ne pas effrayer les patients.

Un examen médical de RMN prend typiquement 5 à 15 minutes. Un ensemble complet d'examens prend souvent entre une demi-heure et une heure pleine. L'examen est absolument sans douleur (le patient est allongé sur une table d'examen autour de laquelle tourne lentement le mécanisme). La seule gène à en attendre est le bruit notable (mais assurément pas assourdissant). En général, le ou les technicien(s) reste en contact constant avec le patient qui peut même faire une petite sieste (mais doit rester à peu près immobile). La seule contre-indication au passage d'examen IRM est le stimulateur cardiaque ou la présence de métaux susceptibles de se mobiliser dans le corps (clip vasculaire, corps étranger métallique ferro-magnétique intra oculaire). Les différentes prothèses (hanche, genou) ne sont pas des contre-indication. Sinon l'IRM est totalement non-invasif, et peut même être utilisé pendant la grossesse soit pour étudier la mère soit le fœtus.

Les séquences d'IRM utilisées en médecine

En modifiant les paramètres d'acquisition IRM, l'utilisateur peut modifier la pondération de l'image, c’est-à-dire l'influence des temps de relaxation T1 et T2 dans le contraste final.

Séquences T1

Ce sont des séquences dites « anatomiques »: en pondération T1 sur le cerveau, la substance blanche apparaît plus claire que la substance grise.
Ces séquences sont également utilisées après injection de produit de contraste, pour caractériser une anomalie.
Exemples : [1] [2]

Séquences T2

Ce sont des séquences « inverses » des séquences en pondération T1, sur lesquelles l'eau et l'oedème apparaissent en blanc. Elles sont très utiles pour détecter les anomalies (fréquemment en hypersignal T2 compte-tenu de l'oedème), mais ne permettent pas toujours une bonne caractérisation.

Séquence FLAIR

Il s'agit en réalité d'une séquence T2 sur laquelle on a « supprimé » le signal de l'eau, qui apparait noire. Cette séquence est très utilisée dans l'exploration cérébrale.

Gradient de diffusion
Saturation des graisses (ou fatsat)

La Fat Sat est une technique permettant de supprimer le signal de la graisse en IRM. C'est une méthode qui utilise la légère différence de fréquence de résonance des protons des atomes d'hydrogène présents dans la graisse par rapport à ceux de la molécule d'eau. Cette différence est d'environ 220 Hz. On envoie donc une radiofréquence dirigée spécifiquement sur la fréquence de la graisse afin de la saturer avant de recueillir le signal de la coupe.

Avantages :

  • Méthode utilisable en pondération tant T1 que T2.
  • Permet de mieux mettre en évidence les prises de produit de contraste en pondération T1.

Inconvénients :

  • Très sensible aux inhomogénéités de champ, la différence de fréquence de résonance étant très ténue, si le champ magnétique a une valeur trop variable, la Fat Sat ne fonctionnera pas bien. Problème arrivant souvent en cas de corps étrangers métalliques trop proches ou même en cas d'homogénéité limitée de l'aimant.
IRM fonctionnelle

Principe de l'IRM fonctionnelle ou IRMf Cette technique utilise un gros aimant et analyse la réaction des différents tissus du corps à des champs magnétiques. Les données recueillies sont ensuite traitées informatiquement et la zone étudiée peut être restituée en deux ou trois dimensions.

La méthode la plus utilisée actuellement est celle basée sur l’aimantation de l’hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang. L’hémoglobine se trouve sous deux formes : • les globules rouges oxygénés par les poumons contiennent de l’oxyhémoglobine (molécule non active en RMN) ; • les globules rouges désoxygénés par les tissus contiennent de la désoxyhémoglobine (active en RMN). En suivant la perturbation du signal de RMN émis par cette molécule, il est donc possible d’observer l’afflux de sang oxygéné, qui chasse le sang désoxygéné, et ainsi les zones actives du cerveau. En faisant l’acquisition d’images à une cadence rapide (une image toutes les secondes), il est possible de suivre en direct, sous forme de film, les modulations de débit sanguin liées à l’activité cérébrale.

Différences IRM-TEP

Le TEP : Tomographie par émission de positons Considérée jusqu’il y a peu comme la technique de référence pour l’imagerie fonctionnelle. Dans cette technique on injecte au patient un traceur radioactif, l’oxygène 15, qui, très instable, va se transformer en libérant un positon, l’équivalent positif de l’electron. Ce positon va rencontrer l’electron d’un atome voisin. Ils vont s’annihiler l’un l’autre en libérant deux photons gamma qui partent dans des directions opposées. Un appareil de detection des photons gamma, appelé caméra à positon, est installée autour du crâne du patient. En faisant effectuer au patient pendant l’enregistrement une tache motrice ou cognitive la tomographie permet de visualiser les zones du cerveau activées par cette tache.

TEP IRMf
Type de technique Invasive : injection d’un marqueur radioactif par voie sanguine Non invasive : pas d’injection de produit radioactif
Résolution Faible résolution spatiale et temporelle Excellente résolution spatiale et temporelle (1,5 mm * 1,5 mm)
Type Photons gamma Ondes radio
Résolution spatialle 6 mm 3 mm
Résolution temporelle 8 min 1 à 6 s
Intégration 90 s 1 à 6 s
Durée d'examen 120 min 5 à 20 min
Temps d'analyse Très long car nécessite le moyennage de plusieurs sujets pour obtenir un bon signal sur bruit + temps de préparation Court (de 1,5 à 2 min) car pas de préparation nécessaire et se prête à l’étude d’un seul individu
Instrumentation Spécifique (cyclotron pour marquage molécules, caméra sensible aux rayonnements gamma) Dépendante des possibilités d'imagerie ultra-rapide disponibles sur les équipements d’IRM des services hospitaliers
Risque de répétitivité Injection de molécules marquées par des isotopes radioactifs Répétition de nombreuses expériences sur un sujet individuel sans problème
Angiographie par résonance magnétique

La RMN en chimie organique

La RMN est l'outil d'analyse actuellement le plus utilisé en chimie organique. Elle permet d'obtenir des informations qualitatives ou quantitatives sur l'échantillon analysé, suivant la technique employée. Les noyaux les plus souvent étudiés sont le 1H, le 13C, le 31P et l' 15N.

L'échantillon a analyser est mis en solution dans un solvant deutéré (voir 2D, un isotope de l'1H). Ce solvant, généralement du chloroforme deutéré, (CDCl3) est normalement invisible en RMN du proton, puisque le deutérium a une fréquence de résonnance bien différente de celle de l'hydrogène.

Considérons la RMN au 1H : l'environnement chimique des atomes d'hydrogènes qui sont reliés chimiquement aux molécules de l'échantillon influent sur la fréquence de résonnance de ceux-ci ; ainsi, l'hydrogène d'un groupement alcool (-OH) aura une fréquence de vibration inférieure a celle de l'hydrogène d'un groupement carboxyle (-COOH). On parle de chemical shift. La RMN au 1H peut être relativement rapide ( ordre d'idée : 10 min) et permet une analyse quantitative aisée. Malheureusement, elle ne permet pas d'observer le squelette carboné des molécules ou des polymères considérés.

Pour pouvoir observer le squelette carboné, il faut pratiquer la RMN au 13C. Comparé à la RMN au 1H, cette technique est plus coûteuse en temps (ordre d'idée : 10 h) et les résultats sont plus difficiles à analyser de manière quantitative.

Cela peut permettre a l'analyste de connaitre la configuration spatiale de de l'échantillon qu'il analyse.

Voir aussi

Liens externes

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