Chapitre 16 La spectrométrie par résonance magnétique

La spectrométrie par résonance magnétique (SRM) (on dit aussi spectroscopie) a pour but de visualiser les différentes molécules, ainsi que leur concentration, contenues dans un tissu biologique, grâce au déplacement chimique de ces différentes substances.

Comme en imagerie, il faut exciter sélectivement certains noyaux (l’hydrogène par exemple, mais aussi d’autres comme le phosphore) et mesurer les signaux générés par ces noyaux en réponse à cette excitation.

Le résultat n’est pas représenté sous forme d’image anatomique en coupe, mais sous forme de «spectres» qui donnent des informations sur le «contenu chimique» de la structure étudiée. La variation de concentration de ces «métabolites» permet de caractériser certaines pathologies.

Pour restituer les spectres, il faut faire appel à la transformée de Fourier. En effet, comme nous l’avions vu au Chapitre 6, cet outil mathématique permet d’extraire le contenu fréquentiel d’un signal en passant d’une représentation «amplitude par rapport au temps» à une représentation «amplitude par rapport à la fréquence».

Ainsi, à partir d’un échantillon, on réceptionne un signal FID (Free Induction Decay) contenant plusieurs fréquences : ces dernières ne seront pas «visibles» dans le domaine temporel mais pourront être différenciées dans le domaine fréquentiel après transformée de Fourier (fig. 16-1).

Fig. 16-1 Transformée de Fourier d’un signal.

Les différentes fréquences contenues dans un signal ne peuvent être différenciées dans le domaine temporel, mais seront «visibles» après transformée de Fourier dans le domaine fréquentiel sous forme de «pics» de fréquence.

En imagerie, c’est le gradient de codage en fréquence qui conduit à cette dispersion des fréquences contenues dans le signal réceptionné, permettant ainsi la localisation spatiale des différents voxels d’une image. Le signal de chaque voxel provient de la combinaison de toutes les molécules contenant des protons présents dans cet élément de volume, et les différents composants ne sont pas identifiables. Au contraire, le but de la spectrométrie est d’«extraire», d’un volume donné, les différents métabolites qui y sont présents et qui peuvent être différenciés, comme nous le verrons plus loin, grâce à la variation de leurs fréquences de résonance. Pour ce faire, il ne faudra pas utiliser le gradient de fréquence de la même manière.

Par ailleurs, en SRM, le matériel utilisé est pratiquement le même qu’en imagerie. Les différences concernent le champ principal , qui doit être supérieur ou égal à 1,5 T (même si des spectres ont été obtenus avec des intensités de champ inférieures), et particulièrement homogène, ce qui impose un réglage très fin. D’autre part, on utilise des séquences d’acquisition spécifiques ainsi que des logiciels de traitement du signal adaptés. La chaîne RF et les antennes sont les mêmes qu’en imagerie, sauf pour la spectrométrie multinoyaux, pour laquelle ces éléments sont particuliers. En effet, un certain nombre de noyaux peuvent être utilisés pour la spectrométrie : l’hydrogène (¹H), le phosphore 31 (³¹P), le carbone 13 (¹³C), par exemple.

Le tableau 16-1 représente les principaux noyaux pouvant être utilisés en SRM ainsi que leurs fréquences de résonance respectives.

Tableau 16-1 Les principaux noyaux utilisés en SRM et leurs fréquences de résonance.

Noyau	Fréquence de résonance (en MHz/T)
¹H	42,6
³¹P	17,2
¹³C	10,7
¹⁹F	40,1
²³Na	11,3

Nous allons ici nous intéresser essentiellement à la spectrométrie du proton, technique la plus répandue, en raison de l’abondance de l’hydrogène dans l’organisme.

Principe de la SRM

La SRM est fondée sur le déplacement chimique entre les différents composés chimiques dans lesquels on trouve le noyau d’atome observé. En effet, l’environnement électronique de l’atome va modifier le champ magnétique local vu par chaque groupement chimique et, par conséquent, en modifier la fréquence de résonance correspondante. C’est le déplacement chimique tel celui que l’on peut observer entre l’eau et les lipides, deux composés contenant des atomes d’hydrogène (fig. 16-2).

Fig. 16-2 Principe du déplacement chimique.

Le déplacement chimique correspond à la modification de la fréquence de résonance de différents groupements chimiques, contenant un noyau d’atome donné, en raison de leur environnement électronique qui modifie le champ magnétique local vu par chaque groupement. En IRM protonique, l’exemple le plus caractéristique est celui de la graisse et de l’eau.

Le déplacement chimique est représenté sur un graphe par un spectre de raies. Chaque raie (ou groupe de raies) correspond à un groupement chimique donné. L’abscisse de ce graphe est graduée en ppm (parties par millions) par rapport à une référence 0 qui, en spectrométrie protonique, est le tétraméthylsilane (TMS) ; en ordonnée, on trouve l’intensité du signal. Par convention, cette référence est placée sur la droite de l’axe et les valeurs de ppm les plus élevées vers la gauche, correspondant à des fréquences de résonance plus élevées : ici la graisse est à 1,3 ppm et l’eau à 4,7 ppm. La surface sous la raie de résonance est proportionnelle à la quantité de noyaux contenus dans un groupement chimique donné.

En imagerie, il faut essayer de minimiser ce phénomène afin d’éviter des artéfacts (voir Chapitre 11), alors que le but de la SRM est justement de le mettre en évidence, aussi bien qualitativement que quantitativement. Ainsi, chaque molécule contenant le noyau d’atome observé possède un déplacement chimique bien précis qui constitue, en quelque sorte, sa «signature» RMN. Le déplacement chimique est représenté sur un graphe par un spectre de raies. Chaque raie (ou groupe de raies) correspond à un groupement chimique donné. L’abscisse de ce graphe est graduée en ppm (parties par millions) par rapport à une référence 0 qui, en spectrométrie protonique, est le tétraméthylsilane (TMS) ; en ordonnée, on trouve l’intensité du signal. Par convention, cette référence est placée sur la droite de l’axe et les valeurs de ppm les plus élevées vers la gauche, correspondant à des fréquences de résonance plus élevées. Enfin, la surface sous la raie de résonance (correspondant à l’amplitude du signal enregistré à la fréquence de résonance donnée) est proportionnelle à la quantité de noyaux contenus dans un groupement chimique donné (fig. 16-2).

Il est commode d’exprimer le déplacement chimique en ppm (et non pas en variation de fréquence, c’est-à-dire en Hz) pour que sa valeur soit indépendante de : ainsi, pour l’eau et les lipides, le déplacement chimique sera toujours de 3,5 ppm, alors que le décalage en fréquence est multiplié par deux si l’on passe de 1,5 à 3 T. Pour une molécule donnée, dont la fréquence de résonance est ω_n, le déplacement chimique (dc), en ppm, sera défini par la relation suivante :