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Du magnétisme du proton au signal 
par résonance magnétique nucléaire 
B Kastler 
C Clair 
D Vetter 
R Allal 
B Favreau 
A Pousse 
M Parmentier 
Résumé. – L’imagerie par résonance magnétique utilise les propriétés magnétiques des tissus biologiques 
(protons) soumis à deux champs magnétiques ®B0 (statique) et ®B1 (radiofréquence). Après l’excitation par 
l’onde de radiofréquence (®B1), le retour à l’état d’équilibre se fait par les phénomènes de relaxation T1 et T2. 
© 2000 Editions Scientifiques et Médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés. 
Mots-clés : proton, hydrogène, résonance, onde de radiofréquence, relaxation. 
Magnétisme et matière vivante 
L’imagerie par résonance magnétique (IRM) protonique repose 
avant tout sur les propriétés magnétiques de la matière. Pour 
comprendre l’origine des propriétés magnétiques de la matière, 
observons une toupie. Au repos, la toupie est couchée sur le côté. Si 
on lui applique un mouvement de rotation autour de son axe, la 
toupie se maintient verticale, sous l’effet d’une force parallèle à son 
axe de rotation. Cette force est le résultat du moment cinétique (®S) 
engendré par la rotation de la toupie. Si la toupie possède une 
charge électrique, à la force développée s’ajoute une force 
d’aimantation engendrée par le moment magnétique (®μ). Les deux 
forces sont représentées par des données vectorielles (fig 1). 
Cette relation liant le magnétisme et le déplacement d’une charge 
électrique avait déjà été découverte au siècle dernier par Oersted 
(un courant électrique engendre un champ magnétique) et 
Faraday (un aimant en mouvement produit un courant électrique) 
(fig 2). 
Dans la matière vivante, le magnétisme provient des atomes. 
L’atome est composé d’un noyau et d’électrons qui gravitent selon 
des trajectoires définies. Le noyau est composé de nucléons répartis 
en protons et en neutrons. Les protons sont chargés positivement. 
Un nombre égal de protons et d’électrons assure la neutralité 
électrique de l’atome. Pour un noyau, quand le nombre de protons 
est identique au nombre de neutrons, le moment magnétique 
résultant est nul. Les principaux constituants atomiques de la 
matière vivante sont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote et le 
soufre. Parmi ces atomes, l’hydrogène est le constituant principal 
des tissus mous contenant de 70 à 90 % d’eau. En fait, le noyau de 
l’atome d’hydrogène est constitué uniquement par un proton 
portant une charge positive. 
Bruno Kastler : Chef de service radiologie A. 
C Clair : Praticien hospitalier, radiologie C. 
Centre hospitalier universitaire de Besançon (B Kastler), laboratoire d’image et d’ingénierie pour la santé 
(LIIS), université de Franche-Comté (UFC) (B Kastler), place Saint-Jacques, 25030 Besançon cedex, France. 
Daniel Vetter : Cadre manipulateur de radiologie, centre hospitalier universitaire de Strasbourg, 67000 
Strasbourg, France. 
Rachid Allal : Praticien hospitalier, radiologie, centre hospitalier, 71100 Châlon-sur-Saône, France. 
Bertrand Favreau : Professeur associé, université technologique de Compiègne, 60200 Compiègne, France. 
A Pousse : Chercheur Inserm. 
Michel Parmentier : Ingénieur biomédical. 
Laboratoire d’image et d’ingénierie pour la santé (LIIS), UFC Besançon (B Kastler), place Saint- 
Jacques, 25030 Besançon cedex, France. 
1 Notion de moment cinétique et magnétique. 
A. Une particule qui tourne induit autour d’elle un moment cinétique ou « spin » 
aligné sur son axe de rotation représenté par un vecteur 
® 
S). 
B. Les protons (noyaux d’hydrogène) sont animés d’un mouvement de rotation 
(comme une toupie) et de plus portent une charge positive. Une charge qui tourne 
induit autour d’elle un champ magnétique appelé moment magnétique (lié au spin 
et également aligné sur son axe de rotation) et représenté par un vecteur d’aiman-tation 
« microscopique » noté 
® 
μ. 
C. Les protons peuvent donc être assimilés à de petits aimants (dipôles magnéti-ques) 
avec un pôle nord (N) et un pôle sud (S). 
Comme il tourne sur lui-même, il possède un moment cinétique 
appelé spin ®S. Étant chargé positivement, il possède de plus un 
moment magnétique ®μ 
(en fait lié au spin) que l’on peut représenter 
comme un dipôle magnétique (assimilé à un petit aimant avec un 
pôle positif et négatif) et animé d’un mouvement de rotation (fig 1). 
Champ principal statique 
®B 
0 
Dans la matière vivante, en l’absence de champ magnétique externe, 
l’orientation de l’aimantation de chaque proton est aléatoire. Dans 
cet état, l’aimantation de la matière est nulle. Si l’on soumet la 
matière à un champ magnétique, les protons vont se répartir en 
deux populations sensiblement égales, parallèles ou antiparallèles 
à ®B 
0. Les protons de sens parallèle correspondent aux protons de 
plus bas niveau d’énergie (E1), les protons de sens antiparallèle 
correspondent aux protons de plus haut niveau d’énergie (E2). En 
fait, le champ magnétique résultant aura pour origine le très faible 
excès de protons de sens parallèle situé sur le niveau de basse 
énergie car les spins de sens opposé vont s’annuler deux à deux. 
Pour un champ magnétique de 0,5 tesla (T), cet excès représente 
Encyclopédie Médico-Chirurgicale 35-010-A-10 
35-010-A-10 
Toute référence à cet article doit porter la mention : Kastler B, Clair C, Vetter D, Allal R, Favreau B, Pousse A et Parmentier M. Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire. Encycl Méd Chir (Editions 
Scientifiques et Médicales Elsevier SAS, Paris, tous droits réservés), Radiodiagnostic – Principes et techniques d’imagerie, 35-010-A-10, 2000, 6 p.
35-010-A-10 Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire Radiodiagnostic 
*A 
*B 
environ quatre protons pour 2 millions (fig 3). Cela paraît faible, 
mais pour 1 cm3 d’eau, ce nombre de protons en excès équivaut tout 
de même à environ 134 millions de milliards de protons. Le champ 
magnétique résultant lié à cet excès de protons de sens parallèle 
constitue le vecteur d’aimantation macroscopique ®Mzo ; il est 
parallèle au champ principal ®B 
0 et adopte un mouvement de 
rotation autour de son axe (comme le font individuellement chacun 
des protons) : c’est le mouvement de précession. La fréquence de ce 
mouvement, ou fréquence de précession xo, est proportionnelle à 
l’intensité du champ magnétique appliqué. 
Résonance et onde de radiofréquence 
Le vecteur d’aimantation macroscopique ®Mzo est très faible 
(indétectable) par rapport à ®B 
0 ; on ne peut pas le mesurer 
directement ; il faut donc le basculer à 90° : c’est là qu’intervient 
l’onde de radiofréquence B1 (ou deuxième champ magnétique, dit 
« tournant »). En effet, si on applique au vecteur ®Mzo en précession, 
pendant un court instant, une onde de radiofréquence (appelée 
également impulsion transversale), on peut modifier l’orientation du 
vecteur d’aimantation à condition que la fréquence xr de l’onde 
appliquée soit égale à la fréquence de précession du proton, xo : 
c’est la condition de résonance. Pour comprendre le phénomène de 
résonance, on peut prendre l’exemple d’une balançoire. Pour 
provoquer et pour maintenir le mouvement de balancier, il faut 
pousser la balançoire à la même fréquence que celle du mouvement 
pendulaire (fréquence propre). De la même façon, en IRM, 
l’impulsion de radiofréquence xr doit être en résonance avec la 
fréquence de précession (propre) du proton (xr = xo). 
*A 
*B 
Lorsque cette condition de résonance est satisfaite, l’extrémité du 
vecteur s’abaisse en décrivant un mouvement complexe en spirale 
sur une calotte sphérique du pôle nord à l’équateur (fig 4A). Pour 
simplifier ce mouvement complexe en spirale, nous allons nous 
mettre dans le référentiel (x’Oy’) tournant à la fréquence angulaire 
« x0 » (fig 4B). Il y aura alors simple bascule du vecteur ®Mzo vers le 
plan xOy avec disparition de la composante longitudinale ®Mz de 
l’aimantation et apparition d’une composante transversale ®Mxy 
(fig 4C). 
Pour mieux comprendre cet effet, il est utile d’analyser 
collectivement les mécanismes induits par l’onde de radiofréquence 
au niveau de la population excédentaire de protons (vecteur ®M) afin 
d’individualiser deux phénomènes, l’un concernant l’aimantation 
longitudinale (disparition) et l’autre l’aimantation transversale 
(apparition) (fig 5). 
– L’onde de radiofréquence, en fournissant de l’énergie au système, 
favorise le passage (transition) des spins parallèles de basse énergie, 
à l’état de spin antiparallèle de haute énergie. Il résulte de ce 
phénomène une diminution de l’aimantation longitudinale, voire 
une annulation de celle-ci lorsqu’il y a égalisation des deux 
populations (fig 5B). 
2 Réciprocité entre magnétisme et déplacement d’une charge électrique : expérience 
d’Oersted et de Faraday. 
A. Le physicien Oersted a mis en évidence, en 1820, qu’un courant électrique pro-duit 
un champ magnétique : si l’on place une boussole à proximité d’un fil où cir-cule 
un courant électrique, celle-ci s’oriente à 90° par rapport au fil conducteur 
(dans l’axe du champ magnétique induit par le courant). 
B. À l’inverse, un aimant peut servir à produire un courant électrique. 
Le physicien français Michel Faraday l’a prouvé quelques années après en 1831 : 
en introduisant un barreau aimanté dans une bobine conductrice. C’est le principe 
de fonctionnement d’une dynamo. 
3 Action du champ magnétique principal 
® 
B0 : apparition de 
® 
Mzo. 
A. En l’absence d’un champ magnétique externe, les protons (μs) d’un échantillon 
tissulaire sont orientés de façon aléatoire en tous sens : la somme des vecteurs 
d’aimantation élémentaire microscopique (R) est (nulle et il n’y a pas de vecteur 
d’aimantation macroscopique ( 
®M 
= 0). Soumis à un champ magnétique extérieur 
(régnant dans le tunnel), les protons s’orientent selon la direction de ce dernier 
(Oz) avec apparition d’un vecteur d’aimantation macroscopique 
® 
μ = 
® 
Mzo. 
B. Les protons ne peuvent en fait avoir que deux orientations et valeurs quanti-fiées 
possibles. Si l’échantillon considéré contient 2 millions (+ 4) protons, ils vont 
se répartir en deux populations : 1 million de protons antiparallèles (niveau 
de haute énergie E2) et 1 million + 4 protons parallèles (niveau de basse énergie 
E1). Le champ magnétique résultant, représenté par le vecteur d’aimantation 
® 
Mzo, 
a pour origine le faible excès de protons (environ 4 pour 2 millions) de sens paral-lèle 
sur le niveau d’énergie le plus faible (E1) car les spins de sens opposé (1 mil-lion 
et 1 million) vont s’annuler deux à deux. 
2
Radiodiagnostic Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire 35-010-A-10 
® 
Mxym pour maximal en fin d’impulsion). 
– Par ailleurs, les protons de la matière vivante soumis au seul 
champ principal B0 adoptent un mouvement de précession de 
manière aléatoire, c’est-à-dire que la composante transversale 
résultante est nulle (fig 5A). L’onde de radiofréquence a pour 
conséquence de mettre en phase les protons de la matière. Ce faisant, 
elle induit l’apparition d’une composante transversale ®Mxy à 
l’aimantation (fig 5B). 
Au total, l’impulsion RF, par deux mécanismes bien distincts mais 
simultanés, transition sur le niveau de haute énergie (E1 ® E2) et 
® 
Mz diminue et 
® 
Mzo = 0). 
® 
Mxym) (rephasage des spins par l’impulsion de 90°). 
®M 
mise en phase des protons, va jouer sur la composante longitudinale 
et la composante transversale de (fig 6) 
Cet état est instable (comme lorsqu’on éloigne l’aiguille d’une 
boussole de la direction nord-sud), et dès la fin de l’excitation, il y 
aura retour à l’état d’équilibre (stable) au cours duquel les 
phénomènes inverses vont avoir lieu. 
D’une part, progressivement par transitions inverses E2 ® E1 
(antiparallèles ® parallèles), l’aimantation longitudinale repousse et 
d’autre part, par déphasage des spins, l’aimantation transversale 
disparaît rapidement. 
Aimantation longitudinale (Tx) 
et transversale T2 
La figure 7 résume ce que nous venons d’apprendre jusqu’à 
présent : 
– l’état d’équilibre engendré par ®B 
0 avec apparition d’une 
composante de longitudinale de l’aimantation ®Mzo ; 
– l’excitation due à l’application de l’onde RF (disparition de la 
composante longitudinale ®Mzo et apparition d’une composante 
transversale ®Mxy) ; 
– le retour à l’état d’équilibre par les phénomènes de relaxation T1 
et T2. 
Il apparaît ainsi clairement deux « types » d’aimantation tissulaire : 
l’aimantation longitudinale ®Mz (ou ®ML) parallèle à ®B 
0 (concerne le 
4 Bascule du vecteur d’aimantation par application d’une onde de radiofréquence. 
A. Mouvement réel (complexe de double précession) décrit par l’extrémité 
du vecteur 
®M 
qui s’abaisse en décrivant une spirale sur une calotte sphérique 
du pôle nord à l’équateur et si le mouvement se poursuit, une deuxième spirale 
jusqu’au au pôle sud. 
B. Si on s’affranchit du mouvement de rotation xo (on passe dans le référentiel 
x’Oy’ tournant à la vitesse xo), les phénomènes sont plus faciles à dessiner et à 
comprendre. 
C. La conséquence d’une impulsion RF (de 90°) devient une simple bascule 
ou rotation de 
®M 
autour de 
® 
B1 (B). Il y a diminution de la composante longitudi-nale 
® 
Mz (ou 
®M 
L, L pour longitudinal) de l’aimantation ( 
® 
Mzo en début d’impul-sion) 
et augmentation de la composante transversale 
® 
Mxy (ou 
®M 
T, T 
pour transversal) de l’aimantation ( 
*A 
*B 
*C 
5 Effet d’une impulsion RF de 90° sur le vecteur d’aimantation macroscopique 
à l’équilibre. 
A. Avant l’impulsion RF, il y a quatre protons parallèles en surnombre sur le 
niveau E1 qui vont être à l’origine de l’apparition d’un vecteur d’aimantation 
macroscopique 
®M 
aligné sur 
® 
B0, sans composante transversale car les protons sont 
déphasés : 
®M 
est aligné sur Oz, 
® 
M= 
® 
Mzo et 
® Mxy = 0. 
B. Par apport d’énergie, l’impulsion RF provoque des transitions : E1 ® E2 (pa-rallèles 
®antiparallèles) et un rephasage des protons ( 
® 
Mxy croît. 
Deux des protons en « surnombre » sont passés du niveau E1 au niveau E2 avec 
égalisation des populations sur les deux niveaux d’énergie : la composante longi-tudinale 
de l’aimantation s’annule ( 
® 
Mxy est alors maximal 
( 
*A 
*B 
3
35-010-A-10 Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire Radiodiagnostic 
T1) et l’aimantation transversale ®Mxy (ou ®M 
T) perpendiculaire à ®B 
0 
(concerne le T2) (fig 8), dont l’apparition et la disparition font 
intervenir deux mécanismes très différents : respectivement, 
transitions des protons entre les niveaux d’énergie E1 (protons 
(parallèles) et E2 (antiparallèles) (ou inversement), et mise en phase 
(ou déphasage) des spins. 
L’aimantation longitudinale ®Mz parallèle à ®B 
0 (concerne le T1) et 
l’aimantation transversale ®Mxy perpendiculaire à ®B 
0 (concerne le T2), 
dont l’apparition et la disparition font en fait intervenir des 
mécanismes bien distincts : 
– transitions des protons entre les niveaux de E1 : parallèles ® E2 : 
antiparallèles (et transitions inverse) ; 
– mise en phase (et déphasage) des spins. 
® 
Mz) en fonc-tion 
Relaxation 
Lorsque cesse l’impulsion de radiofréquence, les phénomènes 
inverses concernant l’aimantation longitudinale et l’aimantation 
6 Approche schématique des phénomènes de transition et de rephasage des spins, 
pour une impulsion de 90°. 
L’impulsion RF provoque deux types de phénomènes à bien distinguer. 
A. Ligne du haut : transitions des protons de parallèles à antiparallèles (E1®E2), 
M ® 
z diminue jusqu’à disparaître. 
B. Ligne du bas : rephasage des protons, 
® 
Mxy croît pour atteindre une valeur maxi-male 
® 
Mxym. 
7 Interactions entre l’onde de radiofréquence et les protons placés dans le champ 
® 
Bo : 
1. Soumis au champ magnétique 
® 
Bo, un état d’équilibre apparaît avec une composante 
longitudinale 
® 
Mzo de l’aimantation tissulaire ; 2. un apport d’énergie (excitation) 
par une impulsion RF de 90° entraîne, par égalisation des protons sur les deux niveaux 
d’énergie et mise en phase des spins, respectivement une disparition de la composante 
longitudinale et l’apparition d’une composante transversale 
® 
Mxy ; 3. cet état est ins-table 
et dès la fin de l’excitation, il va y avoir retour à l’état d’équilibre (stable) au cours 
duquel les phénomènes inverses vont avoir lieu. D’une part, progressivement, 
par transitions inverses E2®E1 (antiparallèles®parallèles), l’aimantation longitu-dinale 
repousse en T1 et, d’autre part, par déphasage des spins, l’aimantation transver-sale 
décroît en T2. 
8 Illustration des deux « types » d’aimantation tissulaire. 
9 Repousse de l’aimantation longitudinale en T1. 
A. L’excitation par l’impulsion RF de 90° (apport d’énergie : transfert de E1 
sur E2) a pour conséquence de faire disparaître la composante longitudinale 
( 
® 
Mz ® 0). Dès l’arrêt de l’impulsion RF, il va y avoir retour à l’état d’équilibre 
(stable) au cours duquel les phénomènes inverses vont avoir lieu : il y a progressi-vement 
transitions inverses du niveau E2 sur E1 : l’aimantation longitudinale re-pousse 
( 
® 
Mz®® 
Mzo). 
B. Courbe exponentielle de repousse de l’aimantation longitudinale ( 
du T1 : le T1 est caractéristique d’un tissu donné, il correspond à 63 % 
de repousse. En 2T1 la repousse est de 87 %, en 3T1, la repousse est presque to-tale 
: 95 % (en 4T1, repousse : 98 %). 
*A 
*B 
4
Radiodiagnostic Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire 35-010-A-10 
*A 
*B 
10 Déphasage de l’aimantation transversale avec disparition en T2. 
A. L’excitation par l’impulsion RF de 90° a pour conséquence, par rephasage des spins, 
de faire apparaître une composante transversale ( 
® 
Mxy). Dès l’arrêt de l’impulsion RF, 
® 
Mxy 
il va y avoir un rapide déphasage des protons : l’aimantation transversale décroît ( 
®0). 
B. Courbe exponentielle de disparition de l’aimantation transversale en fonction 
du T2 : le T2 caractéristique d’un tissu donné correspond à 63 % de décroissance (il 
persiste 37 %de l’aimantation transversale 
® 
Mxy). En 2T2, la disparition est de 87 %, ® 
Mxy = 13 %, en 3T2, la disparition est presque totale : 95 %, 
® 
Mxy = 5 % (en 4T2, 
disparition de 98 %, 
® 
Mxy = 2 %). 
transversale vont se produire, les spins retournent à leur état 
d’équilibre, c’est la relaxation. 
– D’une part, les spins qui s’étaient inversés retournent à leur état 
de spin parallèle sur le niveau de basse énergie. Cela conduit à une 
repousse de l’aimantation longitudinale : c’est la relaxation 
transversale. Le temps nécessaire à la récupération d’environ deux 
tiers (63 %) de l’aimantation longitudinale est le T1 (fig 9). 
– D’autre part, les spins qui avaient été mis en phase pendant 
l’impulsion de radiofréquence vont se déphaser. La composante 
transversale disparaît alors rapidement : c’est la relaxation 
transversale. Le temps nécessaire à la disparition d’environ deux 
tiers (63 %) de l’aimantation transversale est appelé T2 (fig 10). 
Signal de résonance magnétique 
Issus de phénomènes distincts, l’un concernant l’aimantation 
longitudinale, l’autre concernant l’aimantation transversale, T1 et T2 
sont indépendants. T1 est toujours très supérieur à T2 (environ dix 
fois). L’analyse (mesure) de la relaxation T1 et T2 conduit à la 
formation d’image exprimant respectivement les propriétés T1 et T2 
des protons. 
Pour mesurer la valeur de T1 et T2, il faut accéder à la mesure des 
vecteurs d’aimantation longitudinale et transversale. Cela se fait à 
l’aide d’antennes qui transforment l’aimantation tissulaire (en 
rotation à la vitesse x) en signal électrique (comme le fait 
une dynamo). C’est là qu’on utilise le postulat : un vecteur 
d’aimantation qui tourne induit un courant électrique dans une 
bobine (Faraday). 
*A 
*B 
*C 
11 Phénomènes de relaxation et recueil du signal. 
A. Lors de la relaxation, il y a repousse de l’aimantation longitudinale 
( 
® 
Mz®® 
Mzo) en T1 et décroissance beaucoup plus rapide de l’aimantation transversale 
® 
Mxy®0). De ce fait, le vecteur d’aimantation 
en T2 ( 
®M 
qui précesse toujours autour 
® 
de 
B0 décrit, lors de la relaxation, une spirale sur une surface en forme de « pavillon de 
trompette ». 
B. Seule la composante transversale du vecteur 
®M 
en rotation (projection de 
®M 
dans le 
plan xOy) peut être mesurée. Cela est possible grâce à une antenne qui enregistre le si-gnal 
produit par le vecteur d’aimantation tranversale en rotation qui décroît (principe 
de Faraday). 
C. Ce signal dit « d’induction libre », ou « free induction decay » (FID), a une forme de 
sinusoïde amortie en « T2* ». 
5
35-010-A-10 Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire Radiodiagnostic 
Seul le déphasage de l’aimantation transversale est mesurable 
directement (fig 11). La repousse de l’aimantation longitudinale, 
parallèle au champ principal ®B 
0 très élevé, n’est, on le verra, 
accessible qu’indirectement (en la « rebasculant » à 90° et en 
effectuant la mesure immédiatement !). 
Le très faible signal auquel nous accédons est en fait mesuré par 
une antenne réceptrice placée dans le plan xOy qui détecte les 
variations d’un champ magnétique tournant ®Mxy (faible) ou onde 
de radiofréquence. Ce signal correspond à la mesure de la 
décroissance (rapide) de l’aimantation transversale en « T2* » dans 
le plan xOy où se trouve l’antenne réceptrice. Nous verrons 
ultérieurement comment on exploite ce signal dans la séquence 
d’écho de spin. 
Références 
[1] Kastler B et al. Comprendre l’IRM. Collection Imagerie médicale, Paris : Masson, 1994, 1997 
et 2000 
[2] Kastler B, Favreau B. CD vidéo IRM : Du proton à l’image ; Histoire de proton ; Le signal ; 
L’accès au signal ; Le contraste. Compiègne : Magnétimage, 1995. 
6

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  • 1. Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire B Kastler C Clair D Vetter R Allal B Favreau A Pousse M Parmentier Résumé. – L’imagerie par résonance magnétique utilise les propriétés magnétiques des tissus biologiques (protons) soumis à deux champs magnétiques ®B0 (statique) et ®B1 (radiofréquence). Après l’excitation par l’onde de radiofréquence (®B1), le retour à l’état d’équilibre se fait par les phénomènes de relaxation T1 et T2. © 2000 Editions Scientifiques et Médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés. Mots-clés : proton, hydrogène, résonance, onde de radiofréquence, relaxation. Magnétisme et matière vivante L’imagerie par résonance magnétique (IRM) protonique repose avant tout sur les propriétés magnétiques de la matière. Pour comprendre l’origine des propriétés magnétiques de la matière, observons une toupie. Au repos, la toupie est couchée sur le côté. Si on lui applique un mouvement de rotation autour de son axe, la toupie se maintient verticale, sous l’effet d’une force parallèle à son axe de rotation. Cette force est le résultat du moment cinétique (®S) engendré par la rotation de la toupie. Si la toupie possède une charge électrique, à la force développée s’ajoute une force d’aimantation engendrée par le moment magnétique (®μ). Les deux forces sont représentées par des données vectorielles (fig 1). Cette relation liant le magnétisme et le déplacement d’une charge électrique avait déjà été découverte au siècle dernier par Oersted (un courant électrique engendre un champ magnétique) et Faraday (un aimant en mouvement produit un courant électrique) (fig 2). Dans la matière vivante, le magnétisme provient des atomes. L’atome est composé d’un noyau et d’électrons qui gravitent selon des trajectoires définies. Le noyau est composé de nucléons répartis en protons et en neutrons. Les protons sont chargés positivement. Un nombre égal de protons et d’électrons assure la neutralité électrique de l’atome. Pour un noyau, quand le nombre de protons est identique au nombre de neutrons, le moment magnétique résultant est nul. Les principaux constituants atomiques de la matière vivante sont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène, l’azote et le soufre. Parmi ces atomes, l’hydrogène est le constituant principal des tissus mous contenant de 70 à 90 % d’eau. En fait, le noyau de l’atome d’hydrogène est constitué uniquement par un proton portant une charge positive. Bruno Kastler : Chef de service radiologie A. C Clair : Praticien hospitalier, radiologie C. Centre hospitalier universitaire de Besançon (B Kastler), laboratoire d’image et d’ingénierie pour la santé (LIIS), université de Franche-Comté (UFC) (B Kastler), place Saint-Jacques, 25030 Besançon cedex, France. Daniel Vetter : Cadre manipulateur de radiologie, centre hospitalier universitaire de Strasbourg, 67000 Strasbourg, France. Rachid Allal : Praticien hospitalier, radiologie, centre hospitalier, 71100 Châlon-sur-Saône, France. Bertrand Favreau : Professeur associé, université technologique de Compiègne, 60200 Compiègne, France. A Pousse : Chercheur Inserm. Michel Parmentier : Ingénieur biomédical. Laboratoire d’image et d’ingénierie pour la santé (LIIS), UFC Besançon (B Kastler), place Saint- Jacques, 25030 Besançon cedex, France. 1 Notion de moment cinétique et magnétique. A. Une particule qui tourne induit autour d’elle un moment cinétique ou « spin » aligné sur son axe de rotation représenté par un vecteur ® S). B. Les protons (noyaux d’hydrogène) sont animés d’un mouvement de rotation (comme une toupie) et de plus portent une charge positive. Une charge qui tourne induit autour d’elle un champ magnétique appelé moment magnétique (lié au spin et également aligné sur son axe de rotation) et représenté par un vecteur d’aiman-tation « microscopique » noté ® μ. C. Les protons peuvent donc être assimilés à de petits aimants (dipôles magnéti-ques) avec un pôle nord (N) et un pôle sud (S). Comme il tourne sur lui-même, il possède un moment cinétique appelé spin ®S. Étant chargé positivement, il possède de plus un moment magnétique ®μ (en fait lié au spin) que l’on peut représenter comme un dipôle magnétique (assimilé à un petit aimant avec un pôle positif et négatif) et animé d’un mouvement de rotation (fig 1). Champ principal statique ®B 0 Dans la matière vivante, en l’absence de champ magnétique externe, l’orientation de l’aimantation de chaque proton est aléatoire. Dans cet état, l’aimantation de la matière est nulle. Si l’on soumet la matière à un champ magnétique, les protons vont se répartir en deux populations sensiblement égales, parallèles ou antiparallèles à ®B 0. Les protons de sens parallèle correspondent aux protons de plus bas niveau d’énergie (E1), les protons de sens antiparallèle correspondent aux protons de plus haut niveau d’énergie (E2). En fait, le champ magnétique résultant aura pour origine le très faible excès de protons de sens parallèle situé sur le niveau de basse énergie car les spins de sens opposé vont s’annuler deux à deux. Pour un champ magnétique de 0,5 tesla (T), cet excès représente Encyclopédie Médico-Chirurgicale 35-010-A-10 35-010-A-10 Toute référence à cet article doit porter la mention : Kastler B, Clair C, Vetter D, Allal R, Favreau B, Pousse A et Parmentier M. Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire. Encycl Méd Chir (Editions Scientifiques et Médicales Elsevier SAS, Paris, tous droits réservés), Radiodiagnostic – Principes et techniques d’imagerie, 35-010-A-10, 2000, 6 p.
  • 2. 35-010-A-10 Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire Radiodiagnostic *A *B environ quatre protons pour 2 millions (fig 3). Cela paraît faible, mais pour 1 cm3 d’eau, ce nombre de protons en excès équivaut tout de même à environ 134 millions de milliards de protons. Le champ magnétique résultant lié à cet excès de protons de sens parallèle constitue le vecteur d’aimantation macroscopique ®Mzo ; il est parallèle au champ principal ®B 0 et adopte un mouvement de rotation autour de son axe (comme le font individuellement chacun des protons) : c’est le mouvement de précession. La fréquence de ce mouvement, ou fréquence de précession xo, est proportionnelle à l’intensité du champ magnétique appliqué. Résonance et onde de radiofréquence Le vecteur d’aimantation macroscopique ®Mzo est très faible (indétectable) par rapport à ®B 0 ; on ne peut pas le mesurer directement ; il faut donc le basculer à 90° : c’est là qu’intervient l’onde de radiofréquence B1 (ou deuxième champ magnétique, dit « tournant »). En effet, si on applique au vecteur ®Mzo en précession, pendant un court instant, une onde de radiofréquence (appelée également impulsion transversale), on peut modifier l’orientation du vecteur d’aimantation à condition que la fréquence xr de l’onde appliquée soit égale à la fréquence de précession du proton, xo : c’est la condition de résonance. Pour comprendre le phénomène de résonance, on peut prendre l’exemple d’une balançoire. Pour provoquer et pour maintenir le mouvement de balancier, il faut pousser la balançoire à la même fréquence que celle du mouvement pendulaire (fréquence propre). De la même façon, en IRM, l’impulsion de radiofréquence xr doit être en résonance avec la fréquence de précession (propre) du proton (xr = xo). *A *B Lorsque cette condition de résonance est satisfaite, l’extrémité du vecteur s’abaisse en décrivant un mouvement complexe en spirale sur une calotte sphérique du pôle nord à l’équateur (fig 4A). Pour simplifier ce mouvement complexe en spirale, nous allons nous mettre dans le référentiel (x’Oy’) tournant à la fréquence angulaire « x0 » (fig 4B). Il y aura alors simple bascule du vecteur ®Mzo vers le plan xOy avec disparition de la composante longitudinale ®Mz de l’aimantation et apparition d’une composante transversale ®Mxy (fig 4C). Pour mieux comprendre cet effet, il est utile d’analyser collectivement les mécanismes induits par l’onde de radiofréquence au niveau de la population excédentaire de protons (vecteur ®M) afin d’individualiser deux phénomènes, l’un concernant l’aimantation longitudinale (disparition) et l’autre l’aimantation transversale (apparition) (fig 5). – L’onde de radiofréquence, en fournissant de l’énergie au système, favorise le passage (transition) des spins parallèles de basse énergie, à l’état de spin antiparallèle de haute énergie. Il résulte de ce phénomène une diminution de l’aimantation longitudinale, voire une annulation de celle-ci lorsqu’il y a égalisation des deux populations (fig 5B). 2 Réciprocité entre magnétisme et déplacement d’une charge électrique : expérience d’Oersted et de Faraday. A. Le physicien Oersted a mis en évidence, en 1820, qu’un courant électrique pro-duit un champ magnétique : si l’on place une boussole à proximité d’un fil où cir-cule un courant électrique, celle-ci s’oriente à 90° par rapport au fil conducteur (dans l’axe du champ magnétique induit par le courant). B. À l’inverse, un aimant peut servir à produire un courant électrique. Le physicien français Michel Faraday l’a prouvé quelques années après en 1831 : en introduisant un barreau aimanté dans une bobine conductrice. C’est le principe de fonctionnement d’une dynamo. 3 Action du champ magnétique principal ® B0 : apparition de ® Mzo. A. En l’absence d’un champ magnétique externe, les protons (μs) d’un échantillon tissulaire sont orientés de façon aléatoire en tous sens : la somme des vecteurs d’aimantation élémentaire microscopique (R) est (nulle et il n’y a pas de vecteur d’aimantation macroscopique ( ®M = 0). Soumis à un champ magnétique extérieur (régnant dans le tunnel), les protons s’orientent selon la direction de ce dernier (Oz) avec apparition d’un vecteur d’aimantation macroscopique ® μ = ® Mzo. B. Les protons ne peuvent en fait avoir que deux orientations et valeurs quanti-fiées possibles. Si l’échantillon considéré contient 2 millions (+ 4) protons, ils vont se répartir en deux populations : 1 million de protons antiparallèles (niveau de haute énergie E2) et 1 million + 4 protons parallèles (niveau de basse énergie E1). Le champ magnétique résultant, représenté par le vecteur d’aimantation ® Mzo, a pour origine le faible excès de protons (environ 4 pour 2 millions) de sens paral-lèle sur le niveau d’énergie le plus faible (E1) car les spins de sens opposé (1 mil-lion et 1 million) vont s’annuler deux à deux. 2
  • 3. Radiodiagnostic Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire 35-010-A-10 ® Mxym pour maximal en fin d’impulsion). – Par ailleurs, les protons de la matière vivante soumis au seul champ principal B0 adoptent un mouvement de précession de manière aléatoire, c’est-à-dire que la composante transversale résultante est nulle (fig 5A). L’onde de radiofréquence a pour conséquence de mettre en phase les protons de la matière. Ce faisant, elle induit l’apparition d’une composante transversale ®Mxy à l’aimantation (fig 5B). Au total, l’impulsion RF, par deux mécanismes bien distincts mais simultanés, transition sur le niveau de haute énergie (E1 ® E2) et ® Mz diminue et ® Mzo = 0). ® Mxym) (rephasage des spins par l’impulsion de 90°). ®M mise en phase des protons, va jouer sur la composante longitudinale et la composante transversale de (fig 6) Cet état est instable (comme lorsqu’on éloigne l’aiguille d’une boussole de la direction nord-sud), et dès la fin de l’excitation, il y aura retour à l’état d’équilibre (stable) au cours duquel les phénomènes inverses vont avoir lieu. D’une part, progressivement par transitions inverses E2 ® E1 (antiparallèles ® parallèles), l’aimantation longitudinale repousse et d’autre part, par déphasage des spins, l’aimantation transversale disparaît rapidement. Aimantation longitudinale (Tx) et transversale T2 La figure 7 résume ce que nous venons d’apprendre jusqu’à présent : – l’état d’équilibre engendré par ®B 0 avec apparition d’une composante de longitudinale de l’aimantation ®Mzo ; – l’excitation due à l’application de l’onde RF (disparition de la composante longitudinale ®Mzo et apparition d’une composante transversale ®Mxy) ; – le retour à l’état d’équilibre par les phénomènes de relaxation T1 et T2. Il apparaît ainsi clairement deux « types » d’aimantation tissulaire : l’aimantation longitudinale ®Mz (ou ®ML) parallèle à ®B 0 (concerne le 4 Bascule du vecteur d’aimantation par application d’une onde de radiofréquence. A. Mouvement réel (complexe de double précession) décrit par l’extrémité du vecteur ®M qui s’abaisse en décrivant une spirale sur une calotte sphérique du pôle nord à l’équateur et si le mouvement se poursuit, une deuxième spirale jusqu’au au pôle sud. B. Si on s’affranchit du mouvement de rotation xo (on passe dans le référentiel x’Oy’ tournant à la vitesse xo), les phénomènes sont plus faciles à dessiner et à comprendre. C. La conséquence d’une impulsion RF (de 90°) devient une simple bascule ou rotation de ®M autour de ® B1 (B). Il y a diminution de la composante longitudi-nale ® Mz (ou ®M L, L pour longitudinal) de l’aimantation ( ® Mzo en début d’impul-sion) et augmentation de la composante transversale ® Mxy (ou ®M T, T pour transversal) de l’aimantation ( *A *B *C 5 Effet d’une impulsion RF de 90° sur le vecteur d’aimantation macroscopique à l’équilibre. A. Avant l’impulsion RF, il y a quatre protons parallèles en surnombre sur le niveau E1 qui vont être à l’origine de l’apparition d’un vecteur d’aimantation macroscopique ®M aligné sur ® B0, sans composante transversale car les protons sont déphasés : ®M est aligné sur Oz, ® M= ® Mzo et ® Mxy = 0. B. Par apport d’énergie, l’impulsion RF provoque des transitions : E1 ® E2 (pa-rallèles ®antiparallèles) et un rephasage des protons ( ® Mxy croît. Deux des protons en « surnombre » sont passés du niveau E1 au niveau E2 avec égalisation des populations sur les deux niveaux d’énergie : la composante longi-tudinale de l’aimantation s’annule ( ® Mxy est alors maximal ( *A *B 3
  • 4. 35-010-A-10 Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire Radiodiagnostic T1) et l’aimantation transversale ®Mxy (ou ®M T) perpendiculaire à ®B 0 (concerne le T2) (fig 8), dont l’apparition et la disparition font intervenir deux mécanismes très différents : respectivement, transitions des protons entre les niveaux d’énergie E1 (protons (parallèles) et E2 (antiparallèles) (ou inversement), et mise en phase (ou déphasage) des spins. L’aimantation longitudinale ®Mz parallèle à ®B 0 (concerne le T1) et l’aimantation transversale ®Mxy perpendiculaire à ®B 0 (concerne le T2), dont l’apparition et la disparition font en fait intervenir des mécanismes bien distincts : – transitions des protons entre les niveaux de E1 : parallèles ® E2 : antiparallèles (et transitions inverse) ; – mise en phase (et déphasage) des spins. ® Mz) en fonc-tion Relaxation Lorsque cesse l’impulsion de radiofréquence, les phénomènes inverses concernant l’aimantation longitudinale et l’aimantation 6 Approche schématique des phénomènes de transition et de rephasage des spins, pour une impulsion de 90°. L’impulsion RF provoque deux types de phénomènes à bien distinguer. A. Ligne du haut : transitions des protons de parallèles à antiparallèles (E1®E2), M ® z diminue jusqu’à disparaître. B. Ligne du bas : rephasage des protons, ® Mxy croît pour atteindre une valeur maxi-male ® Mxym. 7 Interactions entre l’onde de radiofréquence et les protons placés dans le champ ® Bo : 1. Soumis au champ magnétique ® Bo, un état d’équilibre apparaît avec une composante longitudinale ® Mzo de l’aimantation tissulaire ; 2. un apport d’énergie (excitation) par une impulsion RF de 90° entraîne, par égalisation des protons sur les deux niveaux d’énergie et mise en phase des spins, respectivement une disparition de la composante longitudinale et l’apparition d’une composante transversale ® Mxy ; 3. cet état est ins-table et dès la fin de l’excitation, il va y avoir retour à l’état d’équilibre (stable) au cours duquel les phénomènes inverses vont avoir lieu. D’une part, progressivement, par transitions inverses E2®E1 (antiparallèles®parallèles), l’aimantation longitu-dinale repousse en T1 et, d’autre part, par déphasage des spins, l’aimantation transver-sale décroît en T2. 8 Illustration des deux « types » d’aimantation tissulaire. 9 Repousse de l’aimantation longitudinale en T1. A. L’excitation par l’impulsion RF de 90° (apport d’énergie : transfert de E1 sur E2) a pour conséquence de faire disparaître la composante longitudinale ( ® Mz ® 0). Dès l’arrêt de l’impulsion RF, il va y avoir retour à l’état d’équilibre (stable) au cours duquel les phénomènes inverses vont avoir lieu : il y a progressi-vement transitions inverses du niveau E2 sur E1 : l’aimantation longitudinale re-pousse ( ® Mz®® Mzo). B. Courbe exponentielle de repousse de l’aimantation longitudinale ( du T1 : le T1 est caractéristique d’un tissu donné, il correspond à 63 % de repousse. En 2T1 la repousse est de 87 %, en 3T1, la repousse est presque to-tale : 95 % (en 4T1, repousse : 98 %). *A *B 4
  • 5. Radiodiagnostic Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire 35-010-A-10 *A *B 10 Déphasage de l’aimantation transversale avec disparition en T2. A. L’excitation par l’impulsion RF de 90° a pour conséquence, par rephasage des spins, de faire apparaître une composante transversale ( ® Mxy). Dès l’arrêt de l’impulsion RF, ® Mxy il va y avoir un rapide déphasage des protons : l’aimantation transversale décroît ( ®0). B. Courbe exponentielle de disparition de l’aimantation transversale en fonction du T2 : le T2 caractéristique d’un tissu donné correspond à 63 % de décroissance (il persiste 37 %de l’aimantation transversale ® Mxy). En 2T2, la disparition est de 87 %, ® Mxy = 13 %, en 3T2, la disparition est presque totale : 95 %, ® Mxy = 5 % (en 4T2, disparition de 98 %, ® Mxy = 2 %). transversale vont se produire, les spins retournent à leur état d’équilibre, c’est la relaxation. – D’une part, les spins qui s’étaient inversés retournent à leur état de spin parallèle sur le niveau de basse énergie. Cela conduit à une repousse de l’aimantation longitudinale : c’est la relaxation transversale. Le temps nécessaire à la récupération d’environ deux tiers (63 %) de l’aimantation longitudinale est le T1 (fig 9). – D’autre part, les spins qui avaient été mis en phase pendant l’impulsion de radiofréquence vont se déphaser. La composante transversale disparaît alors rapidement : c’est la relaxation transversale. Le temps nécessaire à la disparition d’environ deux tiers (63 %) de l’aimantation transversale est appelé T2 (fig 10). Signal de résonance magnétique Issus de phénomènes distincts, l’un concernant l’aimantation longitudinale, l’autre concernant l’aimantation transversale, T1 et T2 sont indépendants. T1 est toujours très supérieur à T2 (environ dix fois). L’analyse (mesure) de la relaxation T1 et T2 conduit à la formation d’image exprimant respectivement les propriétés T1 et T2 des protons. Pour mesurer la valeur de T1 et T2, il faut accéder à la mesure des vecteurs d’aimantation longitudinale et transversale. Cela se fait à l’aide d’antennes qui transforment l’aimantation tissulaire (en rotation à la vitesse x) en signal électrique (comme le fait une dynamo). C’est là qu’on utilise le postulat : un vecteur d’aimantation qui tourne induit un courant électrique dans une bobine (Faraday). *A *B *C 11 Phénomènes de relaxation et recueil du signal. A. Lors de la relaxation, il y a repousse de l’aimantation longitudinale ( ® Mz®® Mzo) en T1 et décroissance beaucoup plus rapide de l’aimantation transversale ® Mxy®0). De ce fait, le vecteur d’aimantation en T2 ( ®M qui précesse toujours autour ® de B0 décrit, lors de la relaxation, une spirale sur une surface en forme de « pavillon de trompette ». B. Seule la composante transversale du vecteur ®M en rotation (projection de ®M dans le plan xOy) peut être mesurée. Cela est possible grâce à une antenne qui enregistre le si-gnal produit par le vecteur d’aimantation tranversale en rotation qui décroît (principe de Faraday). C. Ce signal dit « d’induction libre », ou « free induction decay » (FID), a une forme de sinusoïde amortie en « T2* ». 5
  • 6. 35-010-A-10 Du magnétisme du proton au signal par résonance magnétique nucléaire Radiodiagnostic Seul le déphasage de l’aimantation transversale est mesurable directement (fig 11). La repousse de l’aimantation longitudinale, parallèle au champ principal ®B 0 très élevé, n’est, on le verra, accessible qu’indirectement (en la « rebasculant » à 90° et en effectuant la mesure immédiatement !). Le très faible signal auquel nous accédons est en fait mesuré par une antenne réceptrice placée dans le plan xOy qui détecte les variations d’un champ magnétique tournant ®Mxy (faible) ou onde de radiofréquence. Ce signal correspond à la mesure de la décroissance (rapide) de l’aimantation transversale en « T2* » dans le plan xOy où se trouve l’antenne réceptrice. Nous verrons ultérieurement comment on exploite ce signal dans la séquence d’écho de spin. Références [1] Kastler B et al. Comprendre l’IRM. Collection Imagerie médicale, Paris : Masson, 1994, 1997 et 2000 [2] Kastler B, Favreau B. CD vidéo IRM : Du proton à l’image ; Histoire de proton ; Le signal ; L’accès au signal ; Le contraste. Compiègne : Magnétimage, 1995. 6