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.
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