Une IRM fabrique une image avec le signal radio que renvoient les noyaux d'hydrogène de ton corps, placés dans un champ magnétique intense et excités à leur fréquence de résonance : environ 64 MHz dans un appareil de 1,5 tesla.
Le contraste vient de la vitesse à laquelle ils reviennent à l'équilibre (les temps T1 et T2), et c'est le manipulateur d'électroradiologie médicale (MERM) qui choisit lequel domine l'image, en réglant deux durées, TR et TE. Il garde aussi l'entrée d'une salle où le champ ne s'éteint jamais.
Du proton au signal
Le noyau d'hydrogène, un proton, possède un spin qui en fait un minuscule aimant. Hors du tunnel, ces aimants pointent dans tous les sens et s'annulent.
Dans le champ statique $B_0$, un peu plus de protons s'orientent dans le sens du champ que dans le sens contraire. Leur somme forme l'aimantation $M$, dirigée selon $B_0$ : c'est elle qu'on bascule et qu'on mesure.
Piège classique : « tous les protons s'alignent sur $B_0$ » est faux. L'excès n'est que de quelques protons par million ; l'aimantation se mesure parce qu'un millilitre d'eau contient environ $7 \times 10^{22}$ noyaux d'hydrogène.
Formule : chaque spin tourne autour de l'axe de $B_0$ (c'est la précession), à la fréquence de Larmor
$$f_0 = \frac{\gamma}{2\pi}\,B_0$$
avec $f_0$ en MHz, $B_0$ en tesla (T) et $\dfrac{\gamma}{2\pi} \approx 42{,}58$ MHz/T pour le proton (CODATA 2022).
Pour faire basculer $M$, une antenne envoie une impulsion radiofréquence (RF) exactement à $f_0$ : c'est la résonance. Loin de cette fréquence, l'impulsion reste sans effet. Après une impulsion de 90°, l'aimantation tourne dans le plan perpendiculaire à $B_0$ et crée par induction une tension dans l'antenne de réception : c'est le signal IRM.
La relaxation : T1 et T2
Quand l'impulsion s'arrête, l'aimantation revient à l'équilibre : c'est la relaxation. Ses deux composantes le font à des vitesses propres à chaque tissu, d'où le contraste.
La composante longitudinale $M_z$, selon $B_0$, repousse : les protons cèdent leur énergie au milieu (relaxation spin-réseau, constante de temps T1). La composante transversale $M_{xy}$ disparaît : les spins, qui tournaient ensemble, se décalent sous l'effet des champs de leurs voisins (relaxation spin-spin, constante T2).
Formule : après une impulsion de 90°,
$$M_z(t) = M_0\left(1 - e^{-t/T_1}\right)$$ $$M_{xy}(t) = M_{xy}(0)\,e^{-t/T_2}$$
À $t = T_1$, $M_z$ a retrouvé 63 % de $M_0$ ; à $t = T_2$, il reste 37 % de $M_{xy}(0)$.
Dans les tissus, T2 est toujours plus court que T1 : le signal s'éteint bien avant que $M_z$ ait fini de repousser. La graisse a un T1 court ; l'eau libre, comme le liquide cérébrospinal (LCS ou LCR), a un T1 long et un T2 long.
Régler le contraste avec TR et TE
Une séquence répète le même motif : une excitation, puis la lecture d'un écho. Le temps de répétition (TR) sépare deux excitations ; le temps d'écho (TE) sépare l'excitation de la lecture.
TR agit sur T1 : avec un TR court, un tissu à T1 long n'a pas repoussé à l'excitation suivante et renvoie peu de signal ; avec un TR long, les écarts de T1 s'effacent.
TE agit sur T2 : avec un TE long, les tissus à T2 court ont perdu leur signal à la lecture, ceux à T2 long en gardent.
| Pondération | TR | TE | Le contraste montre |
|---|---|---|---|
| T1 | court | court | les écarts de T1 |
| T2 | long | long | les écarts de T2 |
| Densité de protons | long | court | le nombre de protons |
Une zone claire est en hypersignal, une sombre en hyposignal. Le LCS est en hyposignal en T1 et en hypersignal en T2 ; la graisse brille en T1. Le produit de contraste au gadolinium, un médicament injecté, raccourcit le T1 des tissus où il se distribue : ils ressortent en hypersignal en T1.
Pour effacer un tissu, une impulsion de 180° retourne d'abord l'aimantation ; on excite après un temps d'inversion (TI), quand celle de ce tissu passe par zéro. Un TI court efface la graisse (séquence STIR), un TI long efface l'eau libre (séquence FLAIR).
Piège classique : un LCS noir ne prouve pas que l'image est pondérée T1. En FLAIR, pondéré T2, le LCS est noir parce qu'on l'a effacé, et les lésions riches en eau restent claires.
La sécurité en IRM
L'IRM n'utilise aucun rayonnement ionisant : ses risques viennent de ses champs (Société française de radioprotection, 2024).
Le champ statique, produit le plus souvent par un électroaimant supraconducteur, est présent en permanence dès la mise en service de l'appareil. À 1,5 T, il vaut environ 30 000 fois le champ terrestre. Il attire violemment le fer et l'acier : c'est l'effet projectile, premier danger de la salle. Brancard, fauteuil roulant, bouteille de gaz ou extincteur n'y entrent que s'ils sont amagnétiques.
Ce champ peut aussi déplacer un implant ferromagnétique ou un éclat métallique dans l'œil, et dérégler un dispositif implanté actif comme un stimulateur cardiaque. Le marquage du dispositif tranche : « MR Safe » (sans risque), « MR Unsafe » (à risque), « MR Conditional » (admis dans les conditions fixées par le fabricant).
Les gradients, des bobines qui font varier le champ pour localiser le signal, font le bruit de l'examen (d'où les protections auditives) et peuvent stimuler les nerfs périphériques.
Les impulsions RF chauffent les tissus ; l'énergie absorbée se mesure par le débit d'absorption spécifique (DAS), en W/kg. Des mains jointes ou un objet conducteur en boucle forment une boucle de courant qui peut brûler la peau. Les brûlures sont la deuxième cause d'incidents en IRM, après l'effet projectile.
Le rôle du manipulateur
Le Code de la santé publique autorise le manipulateur à réaliser une IRM sans injection sous la responsabilité du médecin, sur prescription ou protocole écrit (article R. 4351-2-1). Avec un médicament injecté, comme un produit de contraste, un médecin doit pouvoir intervenir à tout moment (article R. 4351-2-2).
Étape 1 : il explique le déroulement, recherche implants et éclats métalliques, et fait retirer objets métalliques, bijoux et patchs cutanés, dont certains contiennent de l'aluminium.
Étape 2 : il place l'antenne au plus près de la zone étudiée pour capter plus de signal, évite toute boucle et donne protections auditives et sonnette d'appel.
Étape 3 : il paramètre et lance les séquences du protocole, contrôle chaque série et refait celle qu'un mouvement a rendue floue.
Étape 4 : il garde le contact par l'interphone, surveille le patient, puis assure la traçabilité de l'examen et transmet les images.
Le tunnel peut angoisser, et un mouvement rend l'image floue : rassurer le patient fait partie de la technique.
Exercices corrigés
Exercice 1 : On prend $\dfrac{\gamma}{2\pi} = 42{,}58$ MHz/T pour le proton. Calcule la fréquence de Larmor dans un appareil de 1,5 T, puis de 3 T. Une impulsion RF réglée pour le premier fait-elle basculer l'aimantation dans le second ?
Correction :
On applique $f_0 = \dfrac{\gamma}{2\pi}\,B_0$. À 1,5 T : $f_0 = 42{,}58 \times 1{,}5 = 63{,}87$ MHz. À 3 T : $f_0 = 42{,}58 \times 3 = 127{,}74$ MHz.
Non : à 3 T, les protons résonnent à $127{,}74$ MHz, et une impulsion à $63{,}87$ MHz n'est pas à leur fréquence.
Exercice 2 : Tu règles une séquence avec $\text{TR} = 500$ ms et un TE court. Données fictives : $T_1 = 250$ ms pour la graisse, $T_1 = 4\,000$ ms pour le LCS, même densité de protons. Après chaque impulsion de 90°, $M_z$ repart de zéro et suit $M_z(t) = M_0\left(1 - e^{-t/T_1}\right)$. Quelle fraction de $M_0$ chaque tissu a-t-il retrouvée à l'excitation suivante ? Lequel sera le plus clair, avec quelle pondération ?
Correction :
L'excitation suivante arrive à $t = \text{TR} = 500$ ms.
Graisse : $1 - e^{-500/250} = 1 - e^{-2} \approx 0{,}86$, soit environ 86 % de $M_0$.
LCS : $1 - e^{-500/4\,000} = 1 - e^{-0{,}125} \approx 0{,}12$, soit environ 12 %.
Le signal est proportionnel à l'aimantation que l'impulsion bascule : la graisse sort en hypersignal, le LCS en hyposignal. TR court et TE court : c'est une pondération T1.
Exercice 3 : En STIR, une impulsion de 180° retourne l'aimantation ($M_z = -M_0$), qui repousse ensuite selon $M_z(t) = M_0\left(1 - 2e^{-t/T_1}\right)$ (TR long) jusqu'à l'excitation, au temps TI. Données fictives : $T_1 = 250$ ms pour la graisse.
a) Quel TI, arrondi à la milliseconde, annule le signal de la graisse ?
b) Un collègue propose $\text{TI} = T_1$. Que vaut alors $M_z$ pour la graisse ?
Correction :
a) $M_z(\text{TI}) = 0$ donne $1 - 2e^{-\text{TI}/T_1} = 0$, soit $e^{-\text{TI}/T_1} = \dfrac{1}{2}$, donc $\text{TI} = T_1 \ln 2 = 250 \ln 2 \approx 173$ ms.
b) $M_z = M_0\left(1 - 2e^{-1}\right) \approx 0{,}26\,M_0$ : la graisse garde environ un quart de son aimantation, elle n'est pas effacée. Le réflexe « à $t = T_1$, 63 % » ne vaut que si l'aimantation repart de zéro ; ici, elle repart de $-M_0$.
À retenir
À retenir :
- Résonance : l'impulsion RF doit être à $f_0 = \dfrac{\gamma}{2\pi}B_0$, environ 64 MHz à 1,5 T.
- T1 mesure la repousse de $M_z$, T2 la disparition de $M_{xy}$, toujours plus rapide.
- TR court et TE court : T1. TR long et TE long : T2. TR long et TE court : densité de protons.
- Après une inversion, $\text{TI} = T_1 \ln 2$ efface le tissu visé, si le TR est long.
- Le champ statique ne s'éteint jamais : projectiles et implants se contrôlent avant chaque entrée.
- Avec injection, un médecin doit pouvoir intervenir à tout moment.
Sources
- Code de la santé publique, articles R. 4351-1 à R. 4351-2-3 (actes des manipulateurs d'électroradiologie médicale) : texte en vigueur sur Légifrance.
- Société française de radioprotection, fiche technique sur les risques des champs électromagnétiques liés à l'IRM, janvier 2024 : fiche en PDF.
- NIST, valeur CODATA 2022 du rapport gyromagnétique du proton en MHz/T : page du NIST.