Imagerie en Résonance Magnétique (IRM)

Un petit retour en arrière

EN DEUX MOTS...

L’IRM réalise une analyse du corps, à distance, sans rayons X mais utilise un champ magnétique puissant.
La résonance magnétique emploie le magnétisme pour agir sur les atomes de l’organisme.

DE LA THÉORIE À LA PRATIQUE...

Le concept scientifique
En 1945, Edward Mills Purcell (1912 - 1997) et Felix Bloch (1905 - 1983), tous deux prix Nobel en 1952, découvrent la résonance des noyaux des atomes (résonance nucléaire) soumis à un champ magnétique.

Le principe de l’IRM
Il est basé sur la teneur en eau des tissus. Ce principe était déjà connu en 1950 mais il manquait, à cette époque, d'un aimant, stable et puissant et d'un ordinateur capable de traiter les résultats.

La mise au point des "machines"
En 1973, le chimiste américain Paul Christian Lauterbur (1929 - 2007), obtient la première image IRM sur un animal. En 1980, c’est la présentation de la nouvelle technique à la Radiological Society of North America (RSNA). Les premiers appareils commerciaux apparaissent vers les années 1983-1984.

En 2020, 801 appareils d'IRM sont installés, dont 87 % de ces équipements se trouvent dans le secteur public, dont 26 % dans les centres hospitaliers régionaux et 4 % dans les centres de lutte contre le cancer. De plus, 403 établissements possèdent au moins une IRM, soit 637 appareils (dont 579 exploités par l’établissement), situés pour 85 % d’entre eux dans le secteur public.

Le signal IRM

Le corps humain contient un grand nombre d'atomes d'hydrogène. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est basée sur les propriétés magnétiques des atomes d'hydrogène.
Le noyau de l'atome d'hydrogène est composé d'un unique proton H+ (chargé positivement) qui est en mouvement. Tous ces protons (H+) peuvent être considérés comme des petits aimants.
En plaçant un patient à l'intérieur du tunnel où règne un champ magnétique puissant, tous ces protons vont s'aligner. Le système est alors en équilibre.
La production d'images nécessite la survenue d'un élément perturbateur, excitateur : l'émission d'ondes radio. Lorsque celles-ci ont une fréquence particulière, les noyaux d'hydrogène vont être placés dans un état dit de «résonance». Cette mise en résonance produit une rotation des atomes d'hydrogène.
Le retour à l'état normal produit une variation du champ magnétique. Dans une antenne correctement placé, cette variation du champ magnétique induit la formation d'un courant électrique: c'est le signal IRM.

Le principe de la résonance

L'IRM CONSISTE A OBSERVER LES TISSUS BIOLOGIQUES A TRAVERS LES PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DE L'UN DE LEURS CONSTITUANTS MAJORITAIRES, LE NOYAU D’HYDROGÈNE

Un système physique, qui peut être mécanique, électrique ou magnétique est dit résonant lorsqu'il est susceptible de modifier son état d'équilibre et d'emmagasiner de l'énergie, sous l'influence d'une sollicitation externe à une fréquence bien particulière. Cette fréquence correspond à la fréquence de résonance du système.
Après cessation de cette sollicitation, le système revient à l'équilibre selon des mécanismes oscillants à cette même fréquence. L'atténuation est en général exponentielle et est décrite par des constantes de temps, qu'on appelle "temps de relaxation".
De fait, le proton qui constitue le noyau de l'atome d'hydrogène possède, du fait de sa charge et de son mouvement de rotation sur lui même, un moment magnétique dit de spin, c’est à dire qu’il se comporte comme une sorte de petit aimant. Lorsque l'on place un sujet dans un champ magnétique intense noté "vecteur Bo", les spins des noyaux d'hydrogène s'orientent dans la direction de ce champ. Tout se passe comme si on "aimantait" le sujet.

LA BALANÇOIRE UN SYSTÈME "RÉSONANT"

Lorsqu'un enfant s'agite de façon désordonnée sur sa balançoire, il ne se passe pas grand chose. S'il donne des impulsions à une fréquence quelconque qu'il a décidé lui, il ne se passe toujours pas grand chose.
Lorsqu'il donne des impulsions à une fréquence qui correspond à la période d'oscillation de la balançoire (période définie par sa masse, par la longueur des cordes qui suspendent la balançoire et la constante de gravité), la balançoire entre dans un mouvement oscillant dont l'amplitude va croissant avec la quantité d'énergie que l'enfant apporte.
A la cessation de cette phase, dite "d'excitation" du système, celui-ci revient à sa position d'équilibre avec un mouvement sinusoïdal amorti, à la fréquence d'oscillation de la balançoire. Cette fréquence d'oscillation est la fréquence de résonance du système.

La résonance magnétique

LES ATOMES DANS LE CHAMP MAGNÉTIQUE...

L’atome est composé d’un noyau et d’électrons qui sont des particules chargées négativement qui gravitent autour du noyau. Le noyau est composé de protons, qui sont des particules chargées positivement, et de neutrons, qui sont des particules élémentaires électriquement neutres. Les protons ont leur propre champ magnétique avec un pôle nord et un pôle sud. Ils tournent autour de leur axe comme la terre.

DANS UN APPAREIL D'IRM

Les atomes d'hydrogène (protons) du corps humain
Ils sont placés dans champ magnétique intense, la somme de leurs moments magnétiques nucléaires donne, alors, une aimantation mesurable.
Les protons sont ensuite excités par des ondes radio, qui modifient leur orientation. Les protons s’alignent alors dans le même sens que le champ magnétique de l’appareil. Lorsque les ondes radio et les protons vibrent à la même fréquence, les protons absorbent une partie de l’énergie des ondes radio. 
La stimulation est brutalement interrompue, et l'appareil recueille une onde dite de résonance. C’est de ce phénomène que dérive la résonance magnétique.
Les atomes d’hydrogène reprennent leur position d'équilibre dans le champ magnétique (relaxation) en redonnant de l'énergie. Cette quantité d’énergie peut alors être mesurée grâce à la même antenne.

Les relaxation T1ou T2 
Elles dépendent de la nature des tissus. C’est à partir de ce différentiel que l’on peut obtenir deux images de contraste différent des différents tissus. Ces images sont appelées images pondérées T1 et T2.
En IRM, il n'existe pas d'échelle de densité. On parle alors d'hyper-intensité ou d'hypo-intensité en T1 ou en T2. Cet aspect est défini par rapport à l'aspect d'un tissu quelconque adjacent.
L’intérêt de l’IRM est de pouvoir réaliser des coupes dans tous les plans de l'espace et de permettre une ébauche de caractérisation tissulaire : eau, graisse, sang, os,...

Les appareils

Un gros electro-aimant...
Il est disposé autour d’un cylindre dont la taille est suffisante pour qu’un patient puisse s’y glisser.
L’électro-aimant est entouré de 20 à 30 kilomètres de fils hélicoïdaux faits de matériaux superconducteurs qui n’offrent aucune résistance à l’électricité. Ainsi, lorsqu’un courant électrique est introduit dans les fils, il se maintient à pleine vitesse pendant des années sans qu’il soit nécessaire d’ajouter plus d’influx électrique. Plus le nombre d’enroulements est grand, plus le champ magnétique est puissant. La force du champ magnétique se mesure en Tesla (T)*
Les appareils d’imagerie clinique disposent d’aimants dont le champ magnétique varie entre  1,5 T et 7 T. La puissance de ces aimants est telle que tout objet métallique pénétrant le champ électromagnétique (comme une clé) est immédiatement attiré.
Pour préserver sa super-conductivité, l’aimant est maintenu dans un froid intense. Les fils hélicoïdaux qui l’entourent sont disposés dans un appareil à double paroi qui baigne dans de l’hélium liquide maintenu à 4,2°C au-dessus du zéro absolu, température à laquelle les molécules s’immobilisent. L’appareil est maintenu dans le vide et placé dans un réservoir rempli d’azote liquide.
Il y a un système de sécurité car, si l'aimant perd sa supraconductivité et s'échauffe (effet de Quench), l'hélium liquide risque de se transformer en gaz, ce qui entraîne un important changement de volume. C'est pourquoi, il existe des systèmes d'évacuation rapide car ces fuites peuvent entraîner des brûlures (par le froid), ainsi qu'une asphyxie.
L’ensemble est placé dans une armure en acier ou en cuivre qui porte le nom de cage de Faraday, laquelle bloque les signaux de radiofréquence des stations de radio locales et des postes de télévision qui peuvent interférer avec les signaux RM. 

Un émetteur-excitateur
Cet émetteur, par impulsion brève, fournit le supplément d’énergie nécessaire pour exciter les protons et les faire entrer en résonance magnétique.

L'antenne réceptrice
Elle capte les microsignaux émis par les protons lors de la relaxation.

Les trois bobines de gradient (X, Y et Z)
Elles sont placées autour du tunnel de l’aimant et sont utilisées pour moduler la force du principal champ magnétique. Les spirales hautes fréquences, qui transmettent et reçoivent les signaux de radiofréquence, jouent également un rôle important. 
Les gradients doivent réaliser une variation linéaire de l'intensité magnétique le long d'une direction de l'espace. Compte tenu de l'intensité du champ, il ne s'agira que d'une variation. Cette variation va modifier la fréquence de précession des protons. De ce fait, on pourra réaliser des coupes car seuls certains protons pourront entrer en résonance avec l'onde radio. Cette variation de champ est obtenue grâce à des paires de bobines disposées dans chacune des directions de l'espace.

Mais source de bruits...
Même si les bobines sont ancrées à l’appareil, les forces magnétiques intenses qui interviennent pendant l’opération les amènent à percuter contre leur point d’ancrage. C’est ce qui explique les bruits sourds et rythmés que l’on entend pendant l’examen.

* Un champ magnétique traduit les effets d’une charge électrique en mouvement. Sachant que le débit d’une charge électrique se calcule en ampères (A), le champ magnétique correspond au débit rapporté à la distance et se mesure en ampères par mètre (A/m). Dans l’usage courant, cette unité de mesure s’exprime en teslas (T), voire en millionièmes de tesla ou microsteslas (µT). Le tesla est « l’unité de mesure d’induction magnétique, de densité de flux magnétique ou de polarisation magnétique. 

Quelques définitions utiles pour la suite...

Séquence IRM, pondération T1 et T2
Le temps de répétition (TR) est l'intervalle de temps entre deux excitations. Le temps d'écho (TE) est l'intervalle de temps entre l'excitation et la survenue du signal IRM. Une séquence IRM est un ensemble d'impulsion excitatrices dont les paramètres (TE, TR) sont ajustés pour obtenir des images ayant un contraste donné (T1 ou T2).

•  Dans une image pondérée en T1, la graisse apparaît hyper-intense (couleur claire) et l'eau hypo-intense.
• Dans une image pondérée en T2, l'eau apparaît hyper-intense (couleur claire) et la graisse un peu plus sombre que l'eau.

L'hyposignal
C'est un signal de faible intensité, apparaissant sur l’image IRM comme une plage noire ou gris foncé. 
C’est le cas en l’absence de protons (air), des substances à T2 court (tissus calcifiés - os cortical, émail, calcifications), des tissus riches en collagène (tendons, ligaments, fascias…), des liquides riches en protéines, des liquides stagnants (urine, LCS, épanchements, œdème, inflammation…), des substances à effet paramagnétique (gadolinium concentré), du fer en concentration élevée (hémochromatose), des certains hématomes….

L'hypersignal
C'est un signal de forte intensité, comme son nom l'indique, apparaissant sur l’image IRM comme une plage blanche ou gris pâle. 
En T1, c’est le signal des substances à T1 court : lipides (graisse, tumeurs graisseuses, moelle osseuse grasse…), liquides riches en protéines (mucocèles, kystes tumoraux…), substances à effet paramagnétiques (gadolinium…), fer (hématome subaigu), radicaux libres (mélanine), posthypophyse…. 
En T2, c’est le cas de l’eau libre (urine, liquide céphalo-spinal, épanchements, liquide synovial…) de l’eau interstitielle (œdème, inflammation…), du sang stagnant, des liquides pauvres en protéines….

Les images IRM

T1 OU T2

Les images dites « pondérées en T1 »
T1= Constante de temps propre à chaque tissu, correspond à la repousse de l'aimantation longitudinale de ce tissu. Chaque tissu possède donc sa constante T1.

• Plus un tissu possède un T1 rapide, plus ce dernier aura un signal élevé en pondération T1 (hypersignal = blanc). Dans une image pondérée en T1, la graisse apparaît hyperintense.
• Plus un tissu possède un T1 lent, plus ce dernier aura un signal faible en pondération T1 (hyposignal = noir). Dans ce cas l'eau est hypointense, de couleur sombre.
   

Elles sont souvent utilisées pour l'anatomie, dans la mesure où la séquence d’acquisition favorise la détection de l’eau peu mobile c’est à dire intracellulaire (signal élevé pour la substance grise et faible pour les os par exemple).

Les images dites « pondérées en T2 »
T2 = Constante de temps propre à chaque tissu correspond à la décroissance de l'aimantation transversale de ce tissu. Chaque tissu possède, aussi, sa constante T2. Elle dépends fortement de la nature des tissus. 

• Plus un tissu possède un T2 rapide, plus ce dernier aura un signal faible en pondération T2 (hyposignal = noir). Dans une image pondérée en T2, l'eau apparaît hyperintense, de couleur claire.
• Plus un tissu possède un T2 lent, plus ce dernier aura un signal élevé en pondération T2 (hypersignal = blanc). La graisse apparaît, alors, un peu plus sombre que l'eau.
   

 Elles sont utilisées comme images fonctionnelles dans la mesure où la séquence d’acquisition favorise la détection de l’eau mobile c’est à dire extracellulaire ou intravasculaire, ce qui constitue, par exemple, une approche du débit sanguin cérébral local.

STIR

Cette séquence permet une suppression non sélective du signal de la graisse. Le STIR est particulièrement adapté à l'étude de l'appareil locomoteur. Cette séquence permet de mettre en évidence une infiltration métastatique ou un œdème médullaire (après traumatisme par exemple).

FLAIR

L'acronyme FLAIR provient de l'anglais "Fluid Attenuated Inversion Recovery ". C'est une séquence qui supprime le signal provenant du liquide céphalo-rachidien. Cette séquence est bien adaptée à l'imagerie cérébrale. Les lésions de la substance blanche, ramollissements (AVC), démyélinisation inflammatoire (sclérose en plaques) apparaissent hyperintenses et sont particulièrement bien mises en exergue.

Gamme de contraste en T1 ou T2

Les produits de contraste en IRM

LE PRINCIPE

Les produits de contraste que l'on injecte par voie veineuse vont modifier localement les paramètres intrinsèques électromagnétiques des tissus où ils vont préférentiellement se fixer.
Contrairement aux produits de contraste iodés utilisés en radiologie où le paramètre mesuré, l'absorption aux rayons X, est modifié par la présence du produit iodé, en IRM, ce n'est pas le produit de contraste lui-même qu'on observe, mais ses effets sur l'aimantation des noyaux d'hydrogène qui se trouve dans son environnement. De ce fait, il n'y a pas de lien de proportionnalité entre les concentrations du produit de contraste et les modifications de signal observées en IRM.

LES PRODUITS UTILISÉS

Les agents dits paramagnétiques
Ce sont les plus utilisés. Ce sont des complexes du gadolinium.
Le gadolinium* porte le numéro atomique 64 et c’est un métal de haut poids atomique : 157. Il se distribue dans les tissus de la même façon que les produits de contraste iodés utilisés en radiologie et pour les scanners.
Le gadolinium induit hypersignaux sur des images pondérées en T1. Il se verra là où le produit de contraste diffuse, dans les vaisseaux, dans les tissus inflammatoires où il existe une hyperhémie et dans les lésions cérébrales où il existe des ruptures de la barrière hémato-encéphalique.
Les produits commercialisés en France sont, le gadopentétate de diméglumine (Magnevist™), l'Omniscan™, le gadotérate de méglumine (Dotarem™) ou le gadotéridol (Prohance™).
Le gadolinium n'est pas un produit à base d'iode et il est bien toléré et l'injection en intraveineuse n'est pas très douloureuse.

Les agents dits super-paramagnétiques
Ils sont à base d'oxyde de fer et sont en cours d'évaluation. Ils auraient une spécificité hépatique car captés par le système réticulo-endothélial du foie.
Ils ont pour effet "d'éteindre" le signal du foie sain et de permettre une bien meilleure visualisation des nodules tumoraux métastatiques au sein de celui-ci.

(*  Au XVIIIe siècle, le chimiste finlandais J. Gadolin a consacré une bonne partie de sa vie à la chimie analytique et à la minéralogie. Il s'est beaucoup intéressé aux éléments du groupe des terres rares et l'élément 64 a été nommé gadolinium en son honneur.)

L'IRM fonctionnelle

LE PRINCIPE

L'IRM fonctionnelle est fondée sur l'observation en temps réel des variations de l'oxygénation du sang et des débits sanguins cérébraux locaux, sans injection de traceur radioactif, puisque le traceur est endogène. Des examens répétés peuvent, de ce fait, être réalisés sans aucun inconvénient c’est à dire de manière non invasive.
L'oxygène, libéré au niveau des capillaires cérébraux, entraîne la réduction du fer qui se retrouve à l'état d'ion ferreux ( Fe2+), laissant deux électrons non appariés au sein de la molécule de déoxy-hémoglobine (dHb). Ces électrons sont à l'origine du para-magnétisme de cette molécule et génèrent une modification du champ magnétique local.
La désoxyhémoglobine se comporte comme une hétérogénéité magnétique. L’augmentation de la concentration locale en dHb entraîne ainsi une atténuation du signal IRM dans les zones (voxels) contenant du sang désoxygéné. Alors que l'oxy-hémoglobine n'a aucune influence sur le champ magnétique local.

AU NIVEAU DU CERVEAU

L'activité cérébrale s’accompagne d’un enrichissement en oxygène des régions mises en jeu : cet apport d'oxygène réduit les hétérogénéités dues à la dHb dans le compartiment veineux de la circulation et le signal enregistré, lui, augmente.
Dans les zones en activité les augmentations locales de débit sanguin cérébral font donc plus que compenser la consommation d’O2 (et de glucose) et se traduisent par une augmentation locale de l’oxygénation du sang et donc réduisent le taux de dHb. Il en résulte une augmentation locale du signal IRM, appelé dans ce cas signal BOLD (Blood Oxygen Level Dependent).

Angio-IRM (ARM)

Elle est utilisée pour visualiser les artères afin de mettre en évidence des anomalies telles que les sténoses, les dissections, les fistules, les anévrismes et les problèmes d'artérite.
Les artères cérébrales, cervicales, rénales, iliaques, pulmonaires, coronaires et l'aorte sont les artères les mieux étudiées par cette technique.
L'angio-IRM fait appel aux séquences en échos de gradient ultrarapides avec injection de chélates de gadolinium en intra-veineux.
 

IRM de perfusion (IRMP)

L’IRM de perfusion permet d'étudier la microcirculation des tissus. Les paramètres qu’elle permet de mesurer sont les volumes sanguins et des données temporelles comme le temps de transit, temps jusqu’au pic de contraste…
L’objectif final de l’IRM de perfusion est de mesurer, ou d’estimer, le débit sanguin qui irrigue l’organe exploré, exprimé en ml/min/100 g de tissu.
La différenciation des tissus perfusés et non perfusés repose sur l’utilisation d’un marqueur intravasculaire qui peut être exogène, comme un produit de contraste injecté, en général non diffusible en dehors du secteur vasculaire, et ne traversant pas la barrière hémato-encéphalique normale ou endogène, par marquage des noyaux d’hydrogène de l’eau et dans ce cas, le marqueur est diffusible, c’est-à-dire qu’il y a des échanges entre les secteurs vasculaire et extra-vasculaire

En pratique l’examen…

L'imagerie par résonance magnétique est une technique qui permet d'obtenir des images dans n'importe quel plan de l'espace mais elle est limitée à l'organe exploré . Vous serez à jeun pour l’examen.
Lors de l'examen vous serez couché sur un lit qui avance dans un mini-tunnel où règne un champ magnétique. Si vous êtes claustrophobe, dites le quand vous prenez rendez-vous. Vous devrez rester immobile, mais les temps de pause actuels sont de plus en plus rapides.
C’est un examen totalement indolore mais un peu long et désagréable à cause du bruit répétitif à l’intérieur de l’appareil.
La durée de l'examen est variable et fonction du nombre de clichés, en règle générale, 30 à 40 minutes sont nécessaires.

Les contre-indications de l’IRM…

Elles sont la conséquence du champ magnétique intense appliqué. Tout objet ferromagnétique situé dans le corps est ainsi potentiellement dangereux.
Les objets ferromagnétiques sont surtout les matériels prothétiques, les éclats métalliques, en particulier intraoculaires, les projectiles (balles, fragments d'obus).
L'effet « missile » d'objets métalliques extracorporels attirés à forte vitesse dans l'aimant est aussi potentiellement très dangereux.
Les contre indications absolues et liées à des risques lésionnels, sont les suivantes :

• Les patients porteurs de pacemaker
• Certaines valves cardiaques
• Certains clips vasculaires neurochirurgicaux
• Les corps étrangers métalliques intra-oculaires

Un résumé technique pour les spécialistes...

L’IRM consiste à détecter l’aimantation des noyaux d’hydrogène et à la localiser pour reconstruire des images. Pour ce faire, on utilise le champ magnétique intense de la machine IRM appelé B0 (aimant supraconducteur) qui va polariser les aimantations nucléaires, c’est-à-dire les aligner entre elles et sur B0 en induisant une aimantation macroscopique appelée M0.
La détection de cette aimantation macroscopique est fondée sur sa mise en mouvement via une onde de radiofréquence délivrée par l’antenne d’émission permettant de faire pivoter l’aimantation des noyaux d’hydrogène par rapport à B0.
Le retour à l’équilibre de M0 qui se réaligne sur B0 après l’excitation radiofréquence constitue la base du signal IRM. Ce retour à l’équilibre se fait selon des caractéristiques propres à chaque tissu sous la forme de : 

• La récupération de la composante longitudinale alignée sur B0 selon une exponentielle croissante en T1
• La décroissance de la composante transversale perpendiculaire à B0 selon une exponentielle décroissante en T2.

Ce sont les antennes de réception qui vont détecter la tension induite par ce retour à l’équilibre de l’aimantation qui correspond au signal IRM. Pour localiser ce signal IRM dans le volume exploré et ainsi obtenir une image, on utilise trois gradients de champ magnétique qui se superposent au champ magnétique principal B0 et qui permettent de coder la position du signal.
La description chronologique de ces manipulations de l’aimantation constitue une séquence IRM qui peut favoriser le contraste induit par des différences de récupération de l’aimantation longitudinale (pondération T1) ou par des différences de décroissance de l’aimantation transversale (pondération T2).
L’ajout de modules spécifiques au sein d’une séquence IRM peut aussi permettre d’annuler un signal tissulaire spécifique (eau libre, graisse) ou de sensibiliser le signal aux phénomènes de diffusion ou de perfusion.
Des agents de contraste IRM, dont les plus utilisés sont les chélates de gadolinium, permettent d’accentuer le contraste des tissus au sein desquels ils s’accumulent.
L’examen IRM est sans risque, à condition que le patient ne soit pas porteur de dispositif métallique implanté pouvant migrer, se dérégler ou entraîner un échauffement des tissus.

@ Pour compléter ce résumé consultez Les fondamentaux de l’imagerie médicale

Mise à jour

4 décembre 2023