UE 3A. Aspects fonctionnels et méthodes d étude. Dr Tristan Richard. L1 santé année universitaire 2009/10

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1 UE 3A Organisationdesappareilset appareils et dessystèmes systèmes : Aspects fonctionnels et méthodes d étude Dr Tristan Richard L1 santé année universitaire 2009/10

2 UE 3A : Organisation des appareils et des systèmes : Aspects fonctionnels et méthodes d étude MODULE 1: Etats de la matière et leur caractérisation MODULE 2: Méthodes d'étude en électrophysiologie jusqu'à l'ecg MODULE 3: Les très basses fréquences du spectre électromagnétique MODULE 4:Le domaine de l'optique (prépare en particulier la microscopie en UE2) MODULE 5: Rayons X et gamma Rayonnements particulaires MODULE 6: Utilisations thérapeutiques L1 santé UE 3A Module 3 2

3 UE 3A : Organisation des appareils et des systèmes : Aspects fonctionnels et méthodes d étude MODULE 3 Les très basses fréquences du spectre EM Notions de bases : magnétostatique et ondes électromagnétiques Les radiofréquences et leur utilisation en RMN L1 santé UE 3A Module 3 3

4 Les radiofréquences et leur utilisation en RMN 1. Généralités 2. Principe 2.1 Moment magnétique 2.2Effet d unchamp magnétique extérieur 2.3 Principe de la RMN 3. Analyse d un spectre RMN 3.1 Le déplacement chimique 3.2 Le couplage 3.3 L intégrale 3.4 Exemple: acide propanoïque L1 santé UE 3A Module 3 4

5 1. Généralités RMN : Résonance Magnétique Nucléaire technique d analyse danalyse chimique et structurale non destructive physique: étude des matériaux chimie et biologie: structure des molécules imagerie médicale Historiquei 1938 : découverte des phénomènes de résonance magnétique par I. Rabi (prix Nobel physique 1944) 1946 : notion de fréquence de résonance par F. Bloch et E.M. Purcell (prix Nobel physique 1973) 1973 : IRM par P. Lanterbur et P. Mansfield (prix Nobel physiologie et médecine 2003) L1 santé UE 3A Module 3 I. Rabi ( ) Purcell ( ) et Bloch ( ) Lanterbur ( ) et Mansfield (1933 ) 5

6 2. Principe 2.1 Moment magnétique mouvement nucléons: champ magnétique noyaux = petites aimants caractérisés par un vecteur d aimantation appelé moment magnétique μ. rotation noyaux: moment cinétique (spin) noté S S et μ proportionnels, colinéaires et de même sens N μ S moment magnétique des noyaux moment magnétique non nul si nombre impair proton ou neutron noyaux utilisables: 1 H 13 C 15 N 19 F 31 P applications médicales : noyau 1 H (abondance et sensibilité RMN) L1 santé UE 3A Module 3 6

7 2.2 Effet d un champ magnétique extérieur champ magnétique extérieur nul aimantation nucléaire totale nulle: M = 0 = 0 = 0 orientations quelconques q des moments magnétiques champ magnétique extérieur non nul orientation ti moments magnétiques direction champ 0 orientations dans direction du champ L1 santé UE 3A Module 3 7

8 Mouvement de rotation autour sur un cône d angle α: mouvement de précession vitesse caractérisée par fréquence de Larmor ν 0 : ν 0 = B 0 γ rapport gyromagnétique (constante fonction du noyau observé) γ 2π ν 0 spin up 2 sens d orientations possibles des spins: sens du champ: spin up sens opposé champ: spin down spin down α α L1 santé UE 3A Module 3 8

9 2.3 Principe de la RMN Effet de aimantation état spin up énergie E (niveau basse énergie, plus stable) état spin down énergie E + = E = 0 spin down niveau excité ΔE E + spin up niveau fondamental E γ différence d énergie ΔE: ΔE = hb 2π 0 excès protons sur niveau basse énergie répartition des spins donnée par la loi de Boltzmann: + N ΔE kt = e T température absolue k constante de Boltzmann N k = 1, J.K 1 L1 santé UE 3A Module 3 9

10 aimantation nucléaire totale M 0 à l équilibre aimantation ti totale t M suivant axe z M z ν 0 spin up M = Σ μ spin down B z M L M représentation de laimantation l aimantationtotaletotale composante longitudinale M L composante transversale M T x M T y L1 santé UE 3A Module 3 10

11 2.3.2 La résonance magnétique nucléaire perturbation ti équilibre: champ radiofréquence B 1 E + ν 1 = ν 0 ν 1 = ν 0 B 1 B 1 B 1 E perturbation champ B 1 transition d énergie absorption du signal ν 1 = ν 0 modification aimantation z z M B 1 B 1 x y x ν 0 M y L1 santé UE 3A Module 3 11

12 retour équilibre : relaxation arrêt impulsion i B 1 : M revient selon z 2 temps caractéristiques: M T1 relaxation longitudinale augmentation M L T1 fonction: fréquence de résonance et environnement magnétique (réseau moléculaire) Interaction spin réseau M L M eq 0,63M eq t / T1 M ( t) = M (1 e ) L eq t T1 T2 relaxation transversale évolution M T T2 fonction: hétérogénéités locales B et interaction spin spin M T M eq t / T 2 M ( ) M (e ) 0,37M T t = eq eq T2 t L1 santé UE 3A Module 3 12

13 ordre de grandeur des temps de relaxation: T1 (ms) T2 (ms) eau liquide cérébrospinal muscle graisse foie temps de relaxation contraste en IRM IRM du genou L1 santé UE 3A Module 3 13

14 signal de RMN variation aimantation inductioncourant courant dans antenne détectrice signal de RMN ν 1 = ν 0 z z B 1 x ν 0 M T résonance magnétique nucléaire (ν = ν 0 ) y ν 0 antenne détectrice M T y Signal RMN de précession libre ou FID (free induction decay) x détection signal FID oscillations sinusoïdales fréquence ν = ν 0 amortissement: relaxation signal de précession libre(fid) L1 santé UE 3A Module 3 14

15 traitement du signal: Transformation de Fourier traitement du signal opération mathématique transformée de Fourier FID amplitude 0 temps TF spectre RMN signal de précession libre(fid) ν 0 fréquence gaussienne centrée sur fréquence fondamentale FID aire pic: amplitude du signal largeur pic: temps de relaxation T2 L1 santé UE 3A Module 3 15

16 3. Analyse d un spectre RMN étude du proton: identification structurale 1H PHY281107_1 1 (Sarah: acide rosmarinique REF) T=303K - D2O - le 29 nov ppm L1 santé UE 3A Module 3 16

17 3.1 Le déplacement chimique nuageélectronique atome écran auniveau dunoyau écran dépend de l environnement chimique du noyau effet d écran modification champ magnétique noyau effet d écran dispersion des fréquences de résonance dispersion des fréquences déplacement chimique δ δ i = B eff = (1 σ i ) ( υi υréf) υ δ i # (σ ref σ i ).10 6 réf.10 6 Beff écran faible résonance à haut champ proton déblindé fréquence σ : constante décran d écran B eff : champ effectivement vu par un noyau donné ν i δ i 0 i σ ν réf écran fort résonance à bas champ proton blindé mesure déplacement chimique δ signal de référence (TMS) déplacement chimique δ indépendant champ aimant L1 santé UE 3A Module 3 17

18 table de déplacement chimique: Φ OH O CH C CH C O CHO R COOH Φ H O CH 3 O=C CH 3 R CHO C=CH R C CH 3 δ L1 santé UE 3A Module 3 18

19 3.2 Le couplage couplage: interaction ti entre spins voisins ii multiplicité signal RMN couplage scalaire: liaisons covalentes couplage dipolaire: espace C C exemple : couplage scalaire entre 2 1 H J: constante de couplage H 1 H 2 50% H 1 H 2 50% J J C C δ 1 δ 2 spectre RMN L1 santé UE 3A Module 3 19

20 noyau couplé à n noyaux voisins ii multiplicité n+1 composantes intensitédonnée partriangle depascal voisin multiplicité intensité spectre triangle de Pascal (coefficients binomiaux) 1 doublet triplet quadruplet L1 santé UE 3A Module 3 20

21 3.3 L intégrale aire pic (intégrale) l fonction nombre de noyaux intégrale aire δ L1 santé UE 3A Module 3 21

22 3.4 Exemple: acide propanoïque Stratégie té d analyse intégrales déplacements chimiques δ 11,83 acide δ 2,44 CH 2 11,83 2,4 44 0,9 98 0,98 CH 3 C couplage δ 11,83 singulet non couplé δ 2,44 quadruplet (3 voisins) 0,98 triplet (2 voisins) CH 3 CH 2?? COOH CH 3 CH 2 COOH δ H 2H 3H R COOH Φ OH O CH O CH 3 C CH C O=C CH 3 R CHO C=CH R C CH L1 santé UE 3A Module 3 22