Soutenance mémoire
Ce travail concerne l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN), technique basée sur le traitement de signaux radiofréquences qui peuvent être absorbés et émis par les spins nucléaires des atomes et molécules de la matière en présence d’un champ magnétique. Depuis sa découverte par Bloch et Purcell en 1946, la RMN a trouvé un vaste nombre d’applications spectroscopiques en chimie, physique, et biologie. L’intérêt de la médecine pour la RMN a considérablement grandi depuis la mise en œuvre de l’imagerie par RMN qui représente aujourd’hui un outil puissant de diagnostic. En général, l’imagerie RMN bioclinique exploite la RMN des protons de la molécule d’eau. En effet, dans la plupart des organes du corps humain, la forte densité de protons donne un signal RMN d’amplitude suffisante pour fournir des images permettant le diagnostic en une durée d’examen clinique admissible.
Cependant, les poumons constituent une exception à cause de leur structure alvéolaire. L’imagerie des poumons par RMN des protons est difficile à cause d’une faible densité tissulaire. Un fort intérêt de la médecine diagnostique pour une technique d’imagerie pulmonaire est pourtant suscité par la qualité insuffisante des méthodes alternatives. Les techniques d’imagerie pulmonaire se divisent actuellement en deux groupes : l’imagerie du tissu pulmonaire d’une part et l’imagerie des espaces respiratoires des poumons d’autre part. L’imagerie du tissu pulmonaire est effectuée à l’aide de rayons X. L’imagerie des espaces respiratoires se fait par scintigraphie, qui est une technique invasive et qui ne fournit que des images de faible résolution spatiale (de l’ordre de quelques centimètres). En 1994, les travaux sur l’imagerie RMN pulmonaire ont été considérablement stimulés par la publication d’images RMN du gaz rare xénon dans les poumons excisés d’un cochon d’Inde [Alb94a]. La polarisation nucléaire de l’isotope xénon–129 avait été augmentée par une technique de pompage optique connue dans le domaine de physique de lasers depuis 1984 [Hap84]. Deux ans plus tard, les premières images RMN des poumons humains, obtenues en faisant respirer de l’hélium–3 hyperpolarisé à des volontaires, ont été publiées ([Mac96], [Ebe96]). Dans la communauté médicale, la qualité de ces images est actuellement estimée suffisante pour le diagnostic de certaines maladies pulmonaires [Kau96].
Propriétés des gaz rares
L’intérêt pour l’utilisation des gaz rares hélium–3 et xénon–129 en RMN bioclinique a été stimulé par la possibilité d’augmenter leur polarisation nucléaire par pompage optique, ouvrant ainsi l’application à l’imagerie pulmonaire [Alb94a]. Il a cependant été montré que les propriétés physiques, biophysiques et chimiques des gaz permettent un certain nombre d’applications en RMN dans différents domaines : biochimie [Til82], étude des surfaces [Heg78], etc.. Parmi les gaz rares, les isotopes hélium–3 et xénon–129 présentent un intérêt particulier car ce sont les seuls atomes non radioactifs ayant un spin nucléaire 1/2.
Disponibilité commerciale des gaz
Le xénon naturel est un mélange isotopique dans lequel la proportion de xénon–129 est de 27%. Le prix actuel du xénon naturel est d’environ 60 francs par litre dans les conditions normales. Des mélanges enrichis en xénon–129 sont disponibles mais leur prix augmente fortement avec le taux d’enrichissement. Par exemple, un litre de xénon–129 enrichi à 70% coûte actuellement environ 40 000 francs. Néanmoins, pour la plupart des applications, le xénon naturel est suffisant. Les études exposées dans ce travail et utilisant du xénon ont été effectuées avec du xénon naturel. En ce qui concerne l’hélium naturel, la concentration de l’isotope hélium–3 est très faible. L’hélium–3 est cependant un produit de déchet de certaines réactions nucléaires impliquées dans la production d’armes nucléaires ce qui a permis à certains pays d’établir des stocks d’hélium–3 pur. Le prix actuel est d’environ 1 000 francs par litre pour une pureté de 99,95%. Heureusement, la production d’armes nucléaires diminue globalement. Une diminution des stocks mondiaux d’hélium–3 est donc prévisible ainsi qu’une augmentation du prix.
Sensibilité
La densité de spins des gaz est faible par rapport à celle des protons dans l’eau. Théoriquement, le signal RMN émis par un ensemble de spins à l’équilibre thermodynamique est, pour un champ principal donné, proportionnel au rapport gyromagnétique à la puissance trois : S ∝ γ3 [Cal91] . Par conséquent, la sensibilité d’une expérience RMN dépend fortement du noyau observé.
Coefficient de diffusion
La RMN bioclinique est basée sur l’utilisation du signal provenant d’un liquide. Dans cet état, les molécules sont liées entre elles par des interactions de type van–der–Waals. La forte densité moléculaire résultant de ces interactions limitent la libre diffusion des molécules. En conséquence, à l’état liquide, les molécules possèdent un coefficient de diffusion relativement petit (D ∼ 10⁻⁵ cm² s−1 ) et fortement dépendant de la température. . . Dans les conditions normales, les gaz rares peuvent être considérés comme des gaz parfaits. Dans un modèle de gaz parfait, les atomes sont assimilés à des sphères dures qui n’interagissent entre elles que lors de collisions élastiques. Le coefficient de diffusion d’un gaz parfait est par conséquent beaucoup plus grand que celui d’un liquide.
Mesure des coefficients de diffusion
Les premières expériences réalisées dans le cadre de ce travail ont été consacrées à la mesure des coefficients de diffusion de l’hélium–3 et du xénon 129 gazeux. La méthode de mesure est très proche de la méthode PGSE (Pulsed Gradient Spin Echo) souvent utilisée pour des mesures de diffusion [Ste65].
Solubilité
La possibilité d’augmenter le signal RMN des deux gaz rares par prépolarisation les rend potentiellement intéressants comme traceurs RMN de la circulation sanguine. L’introduction des gaz rares dans la circulation sanguine nécessite leur solubilisation, soit dans le sang via les poumons (e.g. [Swa97]), soit dans un liquide porteur qui sera injecté dans le sang (e.g. [Goo97]). Le coefficient de solubilité donne une information sur la quantité d’atomes qu’un liquide peut transporter. Il est dépendant des compositions chimiques du liquide et du gaz à solubiliser, de la température et de la pression du gaz. Il existe plusieurs définitions du coefficient de solubilité. La plus courante est celle d’Ostwald. Le coefficient d’Ostwald λ donne le volume de gaz solubilisé par unité de volume de liquide à la pression de 1 bar. Le gaz se trouve dans les mêmes conditions thermodynamiques que le liquide. Il est nécessaire de spécifier la température avec la valeur de λ.
Déplacement chimique
La fréquence de précession libre d’un noyau dans un champ magnétique constant B0 est donnée par ω′ = γB0 (fréquence de Larmor). Néanmoins, en pratique, les noyaux sont toujours dans l’environnement chimique d’électrons et d’autres noyaux. Ceux-ci possèdent une charge électrique et créent avec leur mouvement un champ qui se superpose au champ B0. Le champ local au niveau du noyau dépend donc fortement de l’environnement moléculaire. Pour les liquides et les gaz, l’environnement chimique n’influence pas l’orientation du champ. Dans ce cas, l’effet peut être exprimé par un déplacement de la fréquence. La fréquence de résonance du noyau dans son environnement chimique devient :
ω0 = (1 − σ)γB0 .
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Table des matières
1 Introduction
2 Propriétés des gaz rares
2.1 Introduction
2.2 Disponibilité commerciale des gaz
2.3 Sensibilité
2.4 Coefficient de diffusion
2.5 Solubilité
2.6 Déplacement chimique
2.7 Propriétés physiologiques
2.8 Résumé
3 Equilibre, déséquilibre et relaxation
3.1 Introduction
3.2 L’équilibre thermodynamique
3.3 Modification de l’équilibre thermodynamique
3.4 Relaxation nucléaire dans les gaz rares
3.5 Prépolarisation
4 Pompage optique
4.1 Introduction
4.2 Généralités
4.3 Méthode directe
4.4 Méthode indirecte
4.5 Comparaison des deux méthodes
5 Montage d’un dispositif de pompage optique indirect
5.1 Dispositif de pompage optique
5.2 Système de chauffage
5.3 Champ magnétique
5.4 Système de cellules de pompage
5.5 Gaz utilisés
5.6 Laser et composants optiques
5.7 Processus de polarisation du xénon
5.8 Expériences préliminaires : Ça fonctionne !
5.9 Conclusion et perspectives
6 Diffusion et ses conséquences pour l’imagerie des gaz
6.1 Généralités et aspects théoriques
6.2 Application à une séquence d’écho de gradient
7 Imagerie RMN des gaz
7.1 Rapport signal sur bruit
7.2 Application aux séquences d’imagerie
7.3 Résumé
8 Étude in vivo d’un poumon de rat par IRM de l’hélium–3
8.1 Introduction
8.2 Anatomie des poumons
8.3 Mesure de T2 et T1 dans les poumons d’un rat
8.4 IRM hélium–3 des poumons de rat
8.5 Conclusion
9 Hyperpolarisation par cryogénie
9.1 Introduction
9.2 Bases physiques
9.3 Technique de prépolarisation
9.4 Expériences RMN préliminaires
9.5 Imagerie pulmonaire de l’3He prépolarisé chez le rat
9.6 Conclusion
10 Conclusion
