01
Un tunnel qui écoute votre corps
Voici un appareil d’IRM. IRM signifie imagerie par résonance magnétique. Son aimant produit un champ de 1,5 tesla. Le tesla est l’unité qui mesure l’intensité d’un champ magnétique. Vous vous allongez sur la table, qui vous fait glisser dans le tunnel, large d’environ 70 cm. La machine qui l’entoure mesure de 1,6 à 1,9 m de long environ et pèse de 3 à 6 tonnes.
Pour un examen du cerveau, une antenne tête vous entoure la tête comme une cage. Elle porte de 20 à 64 petits récepteurs. Ils guettent un faible écho radio venu de votre corps. La salle est tapissée de feuilles de cuivre, pour que les ondes radio de l’extérieur ne couvrent pas cet écho. Ici, pas de rayons X. Les ondes radio de l’appareil transportent environ 50 millions de fois moins d’énergie qu’il n’en faut pour arracher un électron à un atome.
Sous le capot blanc, les pièces s’emboîtent les unes dans les autres, comme des anneaux. De l’extérieur vers l’intérieur, on trouve l’aimant dans son enveloppe froide, trois bobines de gradient, puis l’antenne corps, qui émet les ondes radio. Activez la vue écorchée (C) : une part de l’aimant s’ouvre et les laisse voir. Les chapitres suivants les présentent une à une.
Le modèle montre une seule répétition. C’est un cycle court, que l’examen reprend encore et encore pour construire une image. Ici, une répétition dure de 0,5 à 2,5 s en temps réel, mais les impulsions radio qu’elle contient ne se comptent qu’en millisecondes. La barre de lecture n’est donc pas à l’échelle. Les quelques millisecondes d’impulsions et d’écho en occupent environ les deux tiers, et la longue pause est comprimée dans le dernier tiers. La barre indique l’étape en cours, et les mesures en direct donnent le temps réel. Un examen complet de la tête, avec de nombreuses images, dure de 30 à 45 minutes environ.
- Champ principal
- 1.5 T, always on
- Largeur du tunnel
- 70 cm across
02
Un aimant qui ne s’éteint jamais
La plus grosse pièce est l’aimant principal : environ 30 à 40 km de fil de niobium-titane enroulé en bobines. Quand ce fil est assez refroidi, il devient supraconducteur. Autrement dit, le courant y circule sans aucune résistance. Plusieurs centaines d’ampères tournent sans fin dans une boucle fermée. Une fois le circuit bouclé, le champ se maintient sans consommer d’énergie. En un an, il perd moins d’un dixième de pour cent.
Pour rester supraconductrices, les bobines baignent dans de l’hélium liquide à 4,2 kelvins (K), soit environ −269 °C. L’échelle kelvin part du zéro absolu, la température la plus basse qui soit. L’hélium n’a donc qu’environ 1,5 K de plus que le vide spatial. Un aimant classique en contient environ 1 500 litres, alors que les aimants scellés plus récents se contentent de 7 litres, voire moins. Autour de la cuve d’hélium, un écran thermique et un vide empêchent la chaleur d’entrer, comme dans un thermos. La part ouverte de l’aimant laisse voir ces couches. Sur le dessus, un petit réfrigérateur, la tête froide, retransforme en liquide l’hélium qui s’est évaporé. Il tourne jour et nuit et consomme environ 6 à 7 kW.
Le champ est des dizaines de milliers de fois plus fort que celui de la Terre. Le chiffre exact dépend de l’endroit où vous êtes, car le champ terrestre varie d’un lieu à l’autre. Choisissez 3 T pour comparer avec un aimant plus puissant. Les lignes autour de l’aimant montrent la forme de son champ. À l’extérieur, des bobines de blindage font circuler du courant en sens inverse et ramènent vers l’appareil le champ qui s’en échappe. Malgré cela, le champ reste au-dessus de 0,5 mT, soit un demi-millième de tesla, jusqu’à environ 4 m dans l’axe du tunnel. Dans cette zone, un pacemaker peut ne plus fonctionner sans danger. L’anneau en pointillés tracé au sol en marque la limite.
L’aimant ne s’éteint jamais : à la porte, un panneau lumineux prévient qu’il est toujours en marche. Tout objet qui contient du fer peut être projeté dans le tunnel, et des bouteilles d’oxygène ont déjà tué des gens de cette façon. C’est pourquoi le personnel contrôle chaque personne et chaque objet à l’entrée. Si le fil se réchauffe quelque part, il cesse d’être supraconducteur et le courant se change en chaleur. C’est ce qu’on appelle un quench. Le champ tombe à zéro en 2 à 5 secondes, et l’hélium qui bout s’échappe du bâtiment en grondant par le tuyau de quench.
- Par rapport au champ terrestre
- 23,000 to 60,000 times stronger
- Hélium liquide
- 4.2 K, −269 °C
- Ligne de sécurité de 0,5 mT
- 4 m along the tunnel, 2.5 m to the side
03
L’hydrogène penche et tournoie
Dans votre corps, environ six atomes sur dix sont de l’hydrogène, surtout dans l’eau et la graisse. Le cœur d’un atome d’hydrogène, son noyau, est un seul proton. Il se comporte comme un minuscule aimant. L’IRM écoute l’hydrogène parce qu’il est partout et qu’il donne le signal le plus fort.
Dans le champ, chaque petit aimant ne se contente pas de s’aligner. Il fait un mouvement de précession : il tourne autour de la direction du champ, comme une toupie penchée. À 1,5 T, il fait environ 64 millions de tours par seconde, soit 63,9 MHz (mégahertz). Cette cadence, un peu comme la hauteur d’une note, s’appelle la fréquence de Larmor. Elle augmente avec le champ et atteint 127,7 MHz à 3 T. Ces deux fréquences sont proches de la radio FM : l’une juste en dessous de la bande, l’autre juste au-dessus.
Les noyaux ne s’alignent pas tous. La chaleur du corps les bouscule, et ils pointent presque dans tous les sens. Ceux qui penchent dans le sens du champ sont à peine plus nombreux que ceux qui penchent à l’inverse : environ 5 de plus sur un million. Ce petit excédent représente pourtant environ 3,3 × 10¹⁴ noyaux dans un millimètre cube d’eau. Ensemble, ils forment un minuscule aimant résultant. C’est cette flèche que l’appareil utilise.
Les flèches de l’encart sont un dessin, très agrandi. Elles ne montrent pas un vrai point de la tête, et elles exagèrent beaucoup l’inclinaison pour que vous puissiez la voir. Lancez la lecture : elles se mettent à tourner. Le dessin est énormément ralenti, et la mesure indique de combien. Ce chiffre suit la vitesse de lecture. Passez à 3 T : la vraie fréquence et l’excédent doublent, mais le dessin garde son rythme, donc le ralentissement double lui aussi.
- Fréquence de Larmor
- 63.9 MHz, just below FM radio
- Excédent de noyaux dans le sens du champ
- about 5 in a million
- Excédent dans 1 mm³ d’eau
- about 3.3 × 10¹⁴
- Dessin ralenti
- about 128 million times
04
Une impulsion radio et son écho
Pour faire parler l’aimant résultant, l’appareil envoie une brève impulsion radio, pile à la fréquence de Larmor. Cet accord avec la rotation s’appelle la résonance. C’est comme pousser un enfant sur une balançoire au bon moment. L’impulsion vient de l’antenne corps, une cage de barreaux de cuivre placée juste à l’intérieur du tunnel. Elle dure quelques millisecondes au plus.
Une impulsion de 90° fait basculer l’aimant résultant jusqu’à le coucher sur le côté. Là, il continue de tourner. En passant devant l’antenne tête, il crée une minuscule tension électrique, qui se mesure en microvolts. Cette tension, c’est le signal. Déplacez le curseur de l’angle de bascule : seule la part couchée sur le côté, dite transversale, crée un signal. La part dans l’axe du champ n’en donne aucun.
Très vite, les petits aimants se décalent les uns des autres, car certains tournent un peu plus vite que d’autres. Le signal s’affaiblit. À mi-chemin de l’écho, une impulsion de 180° les retourne. Les plus rapides se retrouvent alors derrière, et ils rattrapent les autres. Les petits aimants se remettent au pas et produisent un écho. Le temps entre l’impulsion de 90° et l’écho s’appelle le temps d’écho. Avec les boutons ci-dessous, vous pouvez vous arrêter à chaque moment.
Deux horloges décident de la luminosité de chaque tissu. T1 est le temps que met l’aimant résultant pour regagner environ 63 % de sa valeur dans l’axe du champ. T2 est le temps que met le signal transversal pour tomber à environ 37 %. Le retournement de 180° n’efface que les écarts qui restent constants. Mais les petites bousculades au hasard entre noyaux voisins, elles, demeurent : l’écho est donc un peu plus faible. Cette perte, c’est T2. La graisse récupère vite. Le liquide céphalorachidien, qui baigne le cerveau, récupère lentement. Choisissez un tissu pour comparer. Les valeurs données pour chaque tissu sont approximatives et choisies pour ce modèle. Les impulsions vous réchauffent aussi un peu : l’appareil veille à garder cet échauffement dans des limites sûres.
- T1, repousse
- 884 ms
- T2, décroissance
- 72 ms
05
Des bobines pour situer chaque point
Jusqu’ici, chaque point de la tête répond à la même fréquence : l’écho ne peut donc pas dire d’où il vient. Trois autres bobines, à l’intérieur de l’aimant, règlent ce problème : les bobines de gradient x, y et z. Un gradient est un champ qui varie régulièrement d’un côté à l’autre. Chaque bobine renforce un peu le champ principal d’un côté du centre et l’affaiblit un peu de l’autre.
L’écart est faible : au plus 45 mT par mètre. Au bord de la tête, cela fait environ 5,4 mT, soit un tiers de pour cent d’un champ de 1,5 T. Pourtant, cela suffit à donner à chaque position sa propre fréquence. Les bobines s’enclenchent en 0,2 ms environ.
Chaque bobine a son rôle. La bobine z agit avec l’impulsion radio pour ne réveiller qu’une fine tranche. C’est la sélection de coupe. La bobine y donne à chaque répétition une torsion différente, de haut en bas : on parle de codage de phase. La bobine x est active pendant que l’écho arrive : la fréquence du signal distingue alors la gauche de la droite. C’est le codage en fréquence. Choisissez une bobine pour voir son champ, ou suivez l’examen.
Quand on allume et coupe de forts courants dans un aimant puissant, les bobines vibrent par à-coups, comme un haut-parleur. C’est ce fort martèlement que vous entendez pendant l’examen. Il peut dépasser 100 décibels, autant qu’un marteau-piqueur, voire plus. C’est pourquoi on vous donne toujours des bouchons d’oreilles ou un casque.
- Écart de champ au bord de la tête
- 5.4 mT
- Part du champ principal
- 0.36 %
- Écart de fréquence au bord de la tête
- 230 kHz
- Temps de montée
- 0.225 ms
- Rôle dans cet examen
- Changes with each step
06
Des échos à l’image
Chaque écho est enregistré sous la forme d’une ligne de l’espace k. C’est une grille qui classe les échos par fréquence et par torsion, et non par position. Une répétition remplit une ligne. La suivante change la torsion et en remplit une autre. Dans ce modèle, l’image fait 64 × 64 : il faut donc 64 répétitions. Les vrais examens de la tête utilisent souvent 256 lignes. Ici, les lignes se remplissent du centre vers les bords : une image grossière apparaît donc vite.
Un calcul appelé transformée de Fourier convertit cette grille en image. Il cherche quel mélange de rayures, larges et fines, compose l’image. Le centre de l’espace k contient les rayures larges : les grandes zones de clair et d’ombre. Les bords contiennent les détails fins. L’image s’affiche sur l’écran fixé au mur, à côté de la vitre de la salle de commande. Choisissez 8, 16, 32 ou 64 lignes : l’examen se met en pause, et vous voyez l’image gagner en netteté.
C’est le choix des temps qui détermine quels tissus paraissent clairs. Une séquence pondérée en T1 se répète toutes les 500 ms et écoute tôt, à 15 ms. Chaque répétition s’achève avant que les tissus lents aient récupéré : la graisse est claire et le liquide céphalorachidien sombre. Une séquence pondérée en T2 attend 2 500 ms et écoute à 100 ms. Le liquide, dont le signal s’estompe lentement, brille alors, et la substance grise paraît plus claire que la substance blanche. Les mesures indiquent la luminosité de chaque tissu, le plus clair valant 100 %. Ici, la tête est un simple dessin fait d’ovales, et non un vrai examen. Dans ce modèle, chaque tissu contient la même quantité d’hydrogène, et l’os comme l’air restent noirs.
Avec une ligne par répétition, il faut environ 2,1 minutes pour 256 lignes en séquence T1, et 10,7 minutes en séquence T2. Aujourd’hui, la plupart des examens du cerveau utilisent le turbo spin écho, qui lit de 4 à 32 lignes à chaque répétition. Avec 16 lignes par répétition, la séquence T2 dure environ 40 secondes. Ce modèle montre une seule coupe, alors qu’un vrai examen de la tête en compte beaucoup. Paul Lauterbur a publié la première image par résonance magnétique en 1973. Il a partagé avec Peter Mansfield le prix Nobel 2003 pour cette découverte.
- Graisse
- 0 %
- Substance blanche
- 0 %
- Substance grise
- 0 %
- Liquide céphalorachidien
- 0 %
- Une ligne par répétition
- 10.7 min for 256 lines
- Turbo spin écho, 16 lignes par répétition
- about 40 s