Physique pour la médecine

...la théorie!

Imagerie par   résonance magnétique (IRM)

Chapitre I: Préalables en   physique.

 

I.B. Supraconducteurs.

 

Le lecteur qui ne serait intéressé que par le principe physique de l’IRM peut sans problème sauter le présent paragraphe et se reporter directement au §I.C. Ce dont il est question ci-dessous ne concerne qu’un aspect dans la conception technique de l’imageur, aspect important tout de même, de ce point de vue, puisqu’il permet un fonctionnement très économe de la machine tout en lui imposant des servitudes : Approvisionnement en liquides froids et obligation de maintenir le champ magnétique B0 en permanence.

 

1)La supraconductivité.

 

Quand un métal est parcouru par un courant électrique, il tend à chauffer, ce qu’on appelle l’effet Joule. Cela vient des interactions entre les électrons qui participent au courant et les atomes du métal, interactions qu’on peut voir comme des sortes de choc qui augmentent les mouvements de vibration atomique, donc la température. La conséquence est que le coût de fonctionnement d’un appareil électrique est grevé par la production de cette énergie dégradée et parasite qu’est la chaleur (A l’exception notable bien entendu des applications précisément conçues dans ce but, plaques chauffantes et autres radiateurs).

Le paramètre qui mesure l’effet Joule est la résistance électrique du matériau. A résistance élevée la dissipation de chaleur est importante ; à résistance faible l’effet est réduit. Il se fait qu’à température très basse, proche du zéro absolu, la résistance de certains métaux ou alliages s’annule complètement ! Un courant circulant dans ce type de conducteur le fait sans aucune perte d’énergie, donc… à coût nul.

L’explication du phénomène a été donnée par Bardeen, Cooper et Schrieffer, qui ont reçu le prix Nobel pour cela. Selon la théorie BCS, dans un état supraconducteur les électrons se couplent deux à deux pour former ce qu’on appelle les paires de Cooper. Une paire de Cooper est un objet physique complètement différent d’un électron. Entre autres il s’agit d’un boson (spin entier) alors qu’un électron est un fermion (spin 1 /2). Les paires de Cooper n’interagissent pas du tout avec le réseau atomique du métal qui devient pour eux complètement transparent.

Tout matériau supraconducteur est caractérisé par une température critique Tc qui lui est propre. En-dessous de cette température la résistivité ρ est nulle ; au-dessus elle est non nulle et augmente avec la température comme dans tout métal ordinaire.


IRM IC 1

 

2)En IRM.

 

En pratique les fils électriques supraconducteurs sont des alliages de niobium, NbTi (Tc=10K) ou Nb3Ge (Tc=20K). Ces fils sont plongés dans un bain d’hélium liquide dont la température d’ébullition est de 4,2K, largement en-dessous de leur température critique. On les utilise en général dans les dispositifs qui demandent des aimants puissants et permanents. C’est le cas par exemple des grands accélérateurs de particules comme ceux du CERN où les protons ou autres doivent être en permanence déviés dans leurs trajectoires en boucle. C’est le cas aussi en IRM où le champ B0 de base ne doit pas être modifié. Le volume d’hélium liquide est un cylindre creux dans lequel se trouve la bobine solénoïde évoquée au §I.A.


IRM IC 2


Si les choses en restaient là, le volume d’hélium à 4,2K ne serait séparé que par une simple paroi de l’air ambiant qui, lui, approche les 300K. Cela contribuerait fortement à l’ébullition de l’hélium qui s’échapperait en quantité sous forme gazeuse. L’hélium liquide étant assez coûteux on perdrait là en partie le bénéfice de la supraconductivité. C’est pourquoi le conteneur d’hélium plonge lui-même dans un bain d’azote liquide, dont la température d’ébullition est de 77,4K. Pour l’hélium ce volume intermédiaire joue le rôle de tampon thermique vis-à-vis de l’extérieur, ce qui réduit les pertes. Par ailleurs l’azote liquide a le mérite d’être nettement moins coûteux.


IRM IC 3


A l’heure actuelle (2012) la recherche en matériaux isolants progresse à grands pas, protection de l’environnement oblige. Selon certains auteurs on pourrait voir apparaître plus ou moins rapidement des imageurs qui feraient l’économie du volume tampon d’azote et où le conteneur d’hélium serait doté de parois hyper-isolantes. Il y aurait là une nette simplification du système autant qu’un gain de volume appréciable.

 

3)Champ permanent.

 

Le courant électrique qui circule dans le solénoïde supraconducteur doit y être injecté selon un procédé qui n’a rien d’anodin et qui est affaire de spécialiste. C’est aussi la raison pour laquelle une machine IRM ne se commande pas par un bouton on/off mais est maintenue en fonctionnement permanent, sauf cas de force majeure. Le courant électrique boucle en permanence et sans contrainte dans la bobine, ce qui est sans doute l’aspect le plus fascinant du phénomène. En conséquence le puissant champ magnétique B0 est lui aussi permanent. Sa présence doit être tenue en compte 24h sur 24 et 7 jours sur 7.