Imagerie par résonance magnétique (IRM)

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L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est un dispositif médical qui utilise un champ magnétique et la résonance naturelle des atomes du corps pour obtenir des images de tissus humains. L'appareil de base a été développé pour la première fois en 1945 et la technologie n'a cessé de s'améliorer depuis. Avec l'introduction d'ordinateurs puissants, l'IRM est devenue un appareil de diagnostic important. Il est non invasif et est capable de prendre des photos des tissus mous et durs, contrairement aux autres outils d'imagerie médicale. L'IRM est principalement utilisée pour examiner les organes internes à la recherche d'anomalies telles que des tumeurs ou des déséquilibres chimiques.

Historique

Le développement de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) a commencé avec les découvertes de la résonance magnétique nucléaire (RMN) au début des années 1900. A cette époque, les scientifiques commençaient à peine à comprendre la structure de l'atome et la nature de la lumière visible et du rayonnement ultraviolet émis par certaines substances. Les propriétés magnétiques du noyau d'un atome, qui sont à la base de la RMN, ont été démontrées par Wolfgang Pauli en 1924.

Le premier appareil RMN de base a été développé par I. I. Rabi en 1938. Cet appareil était capable de fournir des données relatives aux propriétés magnétiques de certaines substances. Cependant, il souffrait de deux limitations majeures. Premièrement, l'appareil ne pouvait analyser que des matériaux gazeux, et deuxièmement, il ne pouvait fournir que des mesures indirectes de ces matériaux. Ces limitations ont été surmontées en 1945, lorsque deux groupes de scientifiques dirigés par Felix Bloch et Edward Purcell ont indépendamment développé des appareils RMN améliorés. Ces nouveaux appareils se sont avérés utiles à de nombreux chercheurs, leur permettant de collecter des données sur de nombreux types de systèmes différents. Après d'autres améliorations technologiques, les scientifiques ont pu utiliser cette technologie pour étudier les tissus biologiques au milieu des années 1960.

L'utilisation de la RMN en médecine a rapidement suivi. Les premières expériences ont montré que la RMN pouvait faire la distinction entre les tissus normaux et cancéreux. Des expériences ultérieures ont montré que de nombreux tissus corporels différents pouvaient être distingués par des analyses RMN. En 1973, une méthode d'imagerie utilisant des données RMN et des calculs informatiques de tomographie a été développée. Il a fourni la première image par résonance magnétique (IRM). Cette méthode a donc été utilisée pour examiner une souris et, alors que le temps de test requis était de plus d'une heure, une image des organes internes de la souris en a résulté. L'imagerie humaine a suivi quelques années plus tard. Diverses améliorations technologiques ont été apportées depuis pour réduire le temps de numérisation requis et améliorer la résolution des images. Les améliorations les plus notables ont été apportées à l'application tridimensionnelle de l'IRM.

Contexte

Les étapes de base d'une lecture IRM sont simples. Tout d'abord, le patient est placé dans un champ magnétique constant fort et est entouré de plusieurs bobines. Un rayonnement radiofréquence (RF) est ensuite appliqué au système, provoquant la résonance de certains atomes du patient. Lorsque le rayonnement RF est désactivé, les atomes continuent de résonner. Finalement, les atomes en résonance reviennent à leur état naturel et, ce faisant, émettent un rayonnement radiofréquence qui est un signal RMN. Le signal est ensuite traité par un ordinateur et converti en une image visuelle du patient.

Les signaux RMN émis par les cellules du corps sont principalement produits par les protons des cellules. Les premières images RM ont été construites uniquement sur la base de la concentration de protons dans un tissu donné. Ces images, cependant, n'offraient pas une bonne résolution. L'IRM est devenue beaucoup plus utile pour construire une image interne du corps lorsqu'un phénomène connu sous le nom de temps de relaxation, le temps qu'il faut aux protons pour émettre leur signal, a été pris en considération. Dans tous les tissus du corps, il existe deux types de temps de relaxation, T1 et T2, qui peuvent être détectés. Différents types de tissus présenteront différentes valeurs T1 et T2. Par exemple, la matière grise dans le cerveau a une valeur T1 et T2 différente de celle du sang. En utilisant ces trois variables (densité de protons, valeur T1 et T2), une image hautement résolue peut être construite.

L'IRM est surtout utilisée pour créer des images du cerveau humain. Il est particulièrement utile pour cette zone car il permet de faire la distinction entre les tissus mous et les lésions. En plus des informations structurelles, l'IRM permet l'imagerie fonctionnelle du cerveau. L'imagerie fonctionnelle est possible car lorsqu'une zone du cerveau est active, le flux sanguin vers cette région augmente. Lorsque les scans sont effectués à une vitesse suffisante, en fait, le sang peut être vu se déplacer dans les organes. Une autre application de l'IRM est l'imagerie musculo-squelettique. Les blessures aux ligaments et au cartilage des articulations des genoux, des poignets et de l'épaule peuvent être facilement observées par IRM. Cela élimine le besoin de chirurgies invasives traditionnelles. Une utilisation en développement de l'IRM est le suivi des produits chimiques à travers le corps. Dans ces balayages, les signaux RMN provenant de molécules telles que le carbone 13 et le phosphore 31 sont reçus et interprétés.

Matières premières

Les principaux éléments fonctionnels d'un système d'IRM comprennent un aimant externe, des bobines de gradient, un équipement RF et un ordinateur. Les autres composants comprennent un blindage RF, une alimentation, une sonde RMN, une unité d'affichage et une unité de réfrigération.

L'aimant utilisé pour créer le champ magnétique externe constant est la plus grande pièce de tout système d'IRM. Pour être utile, l'aimant doit être capable de produire un champ magnétique stable qui pénètre dans un certain volume, ou tranche, du corps. Il existe trois types d'aimants différents. Un aimant résistif est composé de fines bandes d'aluminium enroulées dans une boucle. Lorsque l'électricité est conduite autour de la boucle, un champ magnétique est créé perpendiculairement à la boucle. Dans un système d'IRM, quatre aimants résistifs sont placés perpendiculairement les uns aux autres pour produire un champ magnétique constant. Comme l'électricité circule autour de la boucle, la résistance de la boucle génère de la chaleur, qui doit être dissipée par un système de refroidissement.

Les aimants supraconducteurs n'ont pas les mêmes problèmes et limitations que les aimants de type résistif. Les aimants supraconducteurs sont des aimants annulaires, constitués d'un alliage de niobium-titane dans une matrice de cuivre, qui sont surfondus avec de l'hélium liquide et de l'azote liquide. À ces basses températures, il n'y a presque pas de résistance, donc de très faibles niveaux d'électricité sont nécessaires. Cet aimant est moins coûteux à faire fonctionner que le type résistif, et des intensités de champ plus importantes peuvent être générées. L'autre type d'aimant utilisé est un aimant permanent. Il est construit à partir d'un matériau ferromagnétique, est assez grand et ne nécessite pas d'électricité pour fonctionner. Il offre également plus de flexibilité dans la conception du système d'IRM. Cependant, la stabilité du champ magnétique généré par l'aimant permanent est discutable, et sa taille et son poids peuvent être prohibitifs. Bien que chacun de ces différents types d'aimants puisse produire des champs magnétiques d'intensité variable, une intensité de champ optimale n'a pas été découverte.

Pour fournir un procédé de décodage du signal RMN qui est reçu d'un échantillon, des gradients de champ magnétique sont utilisés. En règle générale, trois ensembles de bobines de gradient sont utilisés pour fournir des données dans chacune des trois dimensions. Comme les aimants primaires, ces bobines sont constituées d'une boucle conductrice qui crée un champ magnétique. Dans le système IRM, ils sont enroulés autour du cylindre qui entoure le patient.

Le système RF a divers rôles dans un appareil d'IRM. Premièrement, il est responsable de la transmission du rayonnement RF qui incite les atomes à émettre un signal. Ensuite, il reçoit le signal émis et l'amplifie pour qu'il puisse être manipulé par l'ordinateur. Les bobines RF sont les principaux composants matériels du RF système. Ils sont construits pour créer un champ magnétique oscillant. Ce champ incite les atomes dans une zone définie à absorber le rayonnement RF puis à émettre un signal. En plus d'envoyer le signal RF, les bobines peuvent également recevoir le signal du patient. Selon le type de système d'IRM, une bobine RF en selle ou une bobine RF à solénoïde est utilisée. La bobine est généralement positionnée à côté du sujet et est conçue pour s'adapter au patient. Pour réduire les interférences RF, une feuille d'aluminium est utilisée.

Le dernier lien du système IRM est un ordinateur qui contrôle les signaux envoyés, traite et stocke les signaux reçus. Avant que le signal reçu puisse être analysé par l'ordinateur, il est traduit par un convertisseur analogique-numérique. Lorsque l'ordinateur reçoit des signaux, il exécute divers algorithmes de reconstruction, créant une matrice de nombres adaptés au stockage et créant un affichage visuel à l'aide d'un transformateur de Fourier.

Le processus de fabrication

Les composants individuels d'un système IRM sont généralement fabriqués séparément puis assemblés en une grande unité. Ces unités sont extrêmement lourdes, pesant parfois plus de 100 tonnes (102 tonnes métriques).

Aimant

• 1 Les aimants les plus fréquemment utilisés dans un système d'IRM sont des électroaimants supraconducteurs. Ceux-ci peuvent être fabriqués à l'aide de divers matériaux, mais la conception de base implique une bobine de fil conducteur, un système de refroidissement et une alimentation électrique. Les bobines sont fabriquées en enroulant du fil, construit à partir de filaments d'un alliage de niobium et de titane noyés dans du cuivre, dans une grande boucle. Pour créer le champ magnétique nécessaire, un certain nombre de bobines sont utilisées. Dans un type de système, huit bobines sont utilisées, six pour créer le champ magnétique primaire et deux pour compenser l'excès de champ.
• 2 Les bobines sont immergées dans une cuve contenant de l'hélium liquide. Cela réduit la température à un niveau qui les rend supraconducteurs. Pour aider à maintenir la température stable, le récipient est entouré de deux autres récipients contenant d'autres liquides de refroidissement comme l'azote liquide. Cette construction est ensuite suspendue avec des tiges minces dans un récipient scellé sous vide. Une alimentation électrique est connectée aux bobines magnétiques et n'est utilisée que lorsque l'aimant doit être alimenté. L'aimant est fixé au support patient, qui est une table coulissante qui amène le patient dans le champ magnétique.

Bobines de gradient

• 3 Les bobines de gradient sont des électro-aimants de type résistant. Dans un système d'IRM, il existe généralement trois ensembles de bobines de gradient. Chaque bobine est réalisée en enroulant de fines bandes de cuivre ou d'aluminium selon un motif spécifique. Les bobines sont renforcées en introduisant un époxy dans leur structure. La taille de ces bobines détermine la largeur de l'ouverture dans laquelle le patient est placé. Étant donné qu'une bobine plus petite nécessite moins d'énergie, cette largeur doit être suffisamment grande pour éviter la claustrophobie chez le patient mais suffisamment petite pour nécessiter une quantité raisonnable d'électricité. Ces bobines de gradient sont généralement blindées pour éviter les courants de Foucault perturbateurs.

Système RF

• 4 Les composants électroniques du système RF peuvent être fournis par des fournisseurs externes et assemblés par le fabricant d'IRM. Ces composants sont attachés aux bobines RF, qui sont fabriquées avec des conceptions différentes. Les bobines émettrice et réceptrice sont composées du même type de matériaux que les bobines à gradient. Ils sont également construits un peu comme l'aimant principal. Cependant, ils sont constitués d'une boucle de matériau conducteur, tel que le cuivre, qui peut créer un champ magnétique oscillant. Un type de bobine RF est une bobine de surface, qui est en forme de cercle et est appliquée directement sur le patient. Un autre type est la bobine de selle. Ceux-ci peuvent être montés directement dans l'alésage de l'aimant ou façonnés dans une bobine de cage à oiseaux et placés juste à l'intérieur des bobines de gradient. Chaque type de bobine est relié à une source d'alimentation.

Ordinateur

• 5 L'ordinateur est fourni par les fabricants d'ordinateurs et modifié et programmé pour être utilisé dans un système d'IRM. L'interface utilisateur, le transformateur de Fourier, le convertisseur de signal et un préamplificateur y sont attachés. Un dispositif d'affichage et une imprimante laser sont également inclus.

Assemblage final

• 6 Chacun des composants de l'IRM est assemblé et placé dans un cadre approprié. L'assemblage peut avoir lieu à l'usine ou sur site, où le système sera utilisé. Dans les deux cas, la nature de l'aimant nécessite généralement des précautions de manipulation spéciales, telles que le transport dans un véhicule à suspension pneumatique.

Contrôle qualité

La qualité de chaque système IRM en cours de fabrication est assurée par des inspections visuelles et électriques tout au long du processus de production. La performance de l'IRM est testée pour s'assurer qu'elle fonctionne correctement. Ces tests sont effectués dans différentes conditions environnementales, telles qu'une chaleur et une humidité excessives. La plupart des fabricants définissent leurs propres spécifications de qualité pour les systèmes d'IRM qu'ils produisent. Des normes et des recommandations de performance ont également été proposées par diverses organisations médicales et agences gouvernementales.

Le futur

La recherche actuelle en IRM se concentre sur des domaines qui incluent l'amélioration de la résolution de l'analyse, la réduction du temps d'analyse et l'amélioration de la conception de l'IRM. Les méthodes d'amélioration de la résolution et de réduction du temps de balayage impliquent la réduction du rapport signal sur bruit. Dans un système d'IRM, le bruit est causé par des signaux générés aléatoirement qui interfèrent avec le signal d'intérêt. Une méthode pour la réduire consiste à utiliser une intensité de champ magnétique élevée. Des conceptions améliorées pour les systèmes d'IRM contribueront également à réduire ces interférences et à diminuer le bruit associé aux électro-aimants. À l'avenir, des IRM en temps réel devraient être disponibles.