IRM: Une belle histoire de science Jean-François Mathiot Daniel Morvan Jean Gabrillargues LPC/CNRS Centre Jean Perrin/INSERM CHU Clermont Ou comment passer d une découverte étonnante en physique des particules élémentaires ( 1920) à un appareillage d imagerie médicale mondialement utilisé en routine ( > 1990)
IRM: Une belle histoire de science 1. Une propriété étonnante de la matière: le spin 2. Historique et résultats de l Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire 3. Quelques belles applications cliniques
Remontons dans le temps avec la complicité des prix Nobel 2003: Médecine attribué à un physicien et à un chimiste pour leur découverte de l IRM (années 70) P. Mansfield - P. Lauterbur 1952: Applications de la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) (1946) F. Bloch - E. Purcell 1945: Principe d exclusion de Pauli (1925) W. Pauli 1944: Mise en évidence du phénomène de RMN (années 30) I. Rabi 1943: Expérience fondatrice qui a mis en évidence le spin des particules (1922) O. Stern
Que s est-il donc passé dans les années 20? 1922: Expérience de Stern et Gerlach intensité Faisceau d argent Plaque sensible Image formée sur la plaque sensible distance Les atomes d argent se comportent comme des «aimants microscopiques» leur moment magnétique a des valeurs bien précises: +1/2 ou -1/2 dans des unités adéquates pourquoi seulement 1/2 ou -1/2: mystère de la mécanique quantique! Ceci est aussi vrai pour l atome d hydrogène et aussi pour l électron et le proton séparément
1925: Hypothèse du «spin» par G. Uhlenbeck et S. Goudsmit suggèrent que l électron «tourne sur lui même» d où le nom de «spin» boucle de courant moment magnétique élémentaire On verra plus tard les questions théoriques que cela pose!! 1927: Equation de Pauli Equation du mouvement pour décrire le comportement de ces états Le «spin» est aussi nécessaire pour satisfaire le principe d exclusion de Pauli En plein dans le développement de la mécanique quantique. à suivre
Comportement d un «spin» dans un champ magnétique Ensemble de particules dans un champ magnétique constant trajectoires circulaires autour de l axe du champs si elles sont chargées : force de Lorentz «orientation des spins» dans la direction du champ B 0 aimantation globale M non nulle l alignement est d autant meilleur que le champ est fort (et la température faible) Mouvement de précession autour de B 0 avec la vitesse angulaire ω 0 = γ B 0 : précession de Larmor
Appliquons maintenant un champ magnétique B 1 faible, perpendiculaire à B 0 et tournant autour vitesse de rotation ω phénomène de résonance pour ω = ω 0 l aimantation globale va se mettre à tourner autour de B 1 et non plus autour de B 0 au niveau élémentaire, le «spin» de chaque particule va pouvoir basculer de l état +1/2 à l état -1/2 se traduit par une absorption d énergie
si l on arrête maintenant le champ B 1 l aimantation globale va retourner à son état le plus stable alignement dans la direction du champ B 0 en décrivant une spirale signal de résonance en étudiant l évolution des composantes de M signal électrique aux bornes de la bobine (ou antenne) : FID temps de relaxation Résonance Magnétique Nucléaire
Application de la Résonance Magnétique Nucléaire la condition de résonance ω = ω 0 = γ B 0 dépend du champ B 0 ressenti par la particule dans une molécule chimique ou organique les protons d un noyau sont entourés d électrons, d autres atomes, le champ magnétique ressenti par le proton change suivant son emplacement B eff B 0 la condition de résonance change donc aussi caractérisation très fine de la composition, et de la forme, de la molécule Énergie absorbée
Récapitulatif Propriété intrinsèque des particules élémentaires : le «spin» comme «toupie» ou «aimant permanent» et l on ne comprend toujours pas précisément son origine microscopique! Alignement des «spins» dans un champ magnétique constant B 0 Phénomène de Résonance Magnétique Nucléaire sous l effet d un second champ magnétique, plus faible, perpendiculaire et tournant autour de B 0 les «spins» basculent les signaux de basculement, et de retour à l équilibre après arrêt du champ B 1 sont une signature extraordinairement précise du système étudié Application à l imagerie médicale: IRM