Principes et applications de l'imagerie par résonance magnétique chez le chevalPrinciples and applications of magnetic resonance imagery in horses - Pratique Vétérinaire Equine n° 133 du 21/12/2001
Pratique Vétérinaire Equine n° 133 du 21/12/2001

Auteur(s) : J. TAPPREST*, C. RADIER**, F. AUDIGIÉ***, V. COUDRY****, F. RIEU*****, D. MATHIEU******, J.-M. DENOIX*******

Fonctions :
*ENVA CIRALE, IPC, 14430 GOUSTRANVILLE
**Hôpital Henri Mondor, 51 av. du Maréchal de Lattre de Tassigny,
94010 CRETEIL CEDEX
***ENVA CIRALE, IPC, 14430 GOUSTRANVILLE
****Rochester Equine Clinic, Ten Rod Road, PO Box 2071, ROCHESTER, NH, USA
*****74, allée des Glaïeuls, 84130 LE PONTET
******Hôpital Henri Mondor, 51 av. du Maréchal de Lattre de Tassigny,
94010 CRETEIL CEDEX
*******ENVA CIRALE, IPC, 14430 GOUSTRANVILLE

L'imagerie par résonance est une technique diagnostique récente chez le cheval pour explorer l'appareil locomoteur et la tête. La connaissance des bases physiques est indispensable pour une interprétation correcte des clichés obtenus.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une nouvelle technique d'imagerie désormais disponible pour le diagnostic des affections locomotrices chez le cheval [1, 2, 4, 6, 7, 9, 11, 13 à 16, 18, 19, 22 à 25]. Elle est devenue une technique de référence pour l'imagerie des affections musculo-squelettiques en médecine humaine [8, 21]. Il s'agit en effet de la première technique d'imagerie permettant la visualisation simultanée de formations anatomiques aussi différentes qu'un muscle, un tendon, un ligament, un ménisque, un os, un cartilage, et cela dans tous les plans de l'espace. Le succès de l'IRM en médecine humaine suggère un intérêt diagnostic majeur en médecine équine.

Son utilisation chez le cheval est encore peu développée en raison de la complexité logistique inhérente à sa réalisation pratique. La plupart des études publiées ont été réalisées sur des membres isolés [1, 4, 6, 7, 9, 11, 13 à 15, 18, 19, 22 à 25] et il n'existe que quelques publications qui rapportent des investigations sur des cas cliniques [2, 16]. Les applications de l'IRM à l'imagerie des parties distales des membres et à celle de la tête semblent les plus accessibles, dans l'état actuel du développement des machines.

L'interprétation des images par résonance magnétique est singulière dans la mesure où le contraste d'un tissu peut être modifié selon les paramètres choisis. La connaissance des bases physiques propres à cette technique d'imagerie est indispensable pour l'interprétation des images.

Formation d'une image par résonance magnétique

Principes physiques de base

• L'IRM repose sur l'analyse des propriétés électromagnétiques des noyaux d'hydrogène (protons) soumis à un champ magnétique puissant et à des ondes électromagnétiques. Les protons sont des éléments extrêmement abondants dans l'organisme (principalement sous forme d'eau) et leur densité varie d'un tissu biologique à l'autre [12, 20].

•Les protons peuvent être considérés comme de petits aimants :

- en l'absence de champ magnétique, les différents protons d'un organisme ont une orientation quelconque [20] ;

- soumis à un champ magnétique intense (B0), ils s'alignent dans la direction du champ magnétique B0 et atteignent alors un état d'équilibre [20]. La somme des aimantations des protons est représentée par un vecteur M (figure a). Ce vecteur d'aimantation tissulaire a deux composantes : l'une sur l'axe z, qui est également l'axe du champ magnétique B0 (appelée vecteur d'aimantation longitudinale Mz) et l'autre dans le plan xy (appelée vecteur d'aimantation transversale Mxy). À l'état d'équilibre, la composante sur l'axe z est maximale et la composante dans le plan xy est pratiquement nulle [3] ;

- en fournissant une quantité déterminée d'énergie aux protons, sous la forme d'ondes électromagnétiques (dites ondes de radiofréquence ou impulsions RF), les protons modifient leur position par rapport à leur position d'équilibre : les protons sont excités [20]. Par rapport à la position d'équilibre, Mz diminue et Mxy augmente (figure b) [3] ;

- lorsque cette excitation est interrompue, les protons reviennent spontanément à leur position d'équilibre : ils se “relaxent” [20] (figure c).

Il existe une relaxation longitudinale, qui correspond à la récupération de l'aimantation longitudinale (Mz), et une relaxation transversale, qui correspond à la perte de l'aimantation transversale (Mxy). Ces deux phénomènes vont mettre un certain temps à se produire. Ce sont les temps de relaxation appelés T1 et T2. T1 est le temps nécessaire pour que les protons récupèrent 63 % de leur aimantation longitudinale (Mz) (figure ). T2 est le temps nécessaire pour que les protons perdent 63 % de leur aimantation transversale (Mxy) (figure ). La récupération de l'aimantation longitudinale est lente, de l'ordre de la seconde. La décroissance de l'aimantation transversale T2 est rapide (de l'ordre du dixième de seconde).

• Lors de la relaxation, les protons émettent des signaux qui correspondent à la décroissance de l'aimantation transversale Mxy. Ces signaux dépendent des temps de relaxation T1 et T2, qui diffèrent selon les tissus : les signaux émis sont donc différents en fonction des tissus (figure ) [3].

Signal IRM

Les signaux émis lors de la relaxation sont recueillis par une antenne de réception qui les transforme en signaux électriques mesurables. L'image IRM est formée à partir de l'ensemble de ces signaux [10, 12, 20].

Le signal d'un tissu dépend de trois critères (encadré 1) :

- la densité en protons r du tissu, qui représente le nombre de protons par unité de volume de tissu ;

- les constantes T1 et T2, propres à chaque tissu, qui caractérisent la relaxation de ce tissu.

Ainsi, l'intensité en chaque point de l'image résulte d'un mélange d'effets de r, T1 et T2 [10, 12, 20].

Séquences utilisées

• Une séquence d'excitation est une combinaison d'impulsions RF de 90° et 180° [5].

• Les paramètres fondamentaux d'une séquence sont le temps d'écho (appelé TE) et le temps de répétition (appelé TR).

Le temps de répétition (TR) est l'intervalle qui sépare deux impulsions de radiofréquence.

Le temps d'écho (TE) détermine le moment précis où le signal est mesuré [10, 20].

En fonction du choix de ces paramètres d'acquisition (TR et TE), le contraste de l'image dépend de manière prédominante soit de la densité de protons r, soit du T1, soit du T2 [10, 20].

• La séquence dite d'“écho de spin” est la séquence de base en IRM. Elle permet d'obtenir des images d'excellente qualité. Une séquence d'écho de spin comprend : une impulsion de 90°, une attente pendant une durée TE/2, une impulsion de 180°, une nouvelle attente TE/2 et un enregistrement du signal à TE (figure ) [5].

Formation de l'image par résonance magnétique

La formation de l'image par résonance magnétique nécessite la localisation précise du signal émis et sa traduction visuelle sous forme de niveaux de gris.

Il s'agit là d'un problème technologique dont la compréhension n'est pas indispensable pour l'interprétation d'une image IRM. Les étapes du codage spatial du signal et la reconstruction de l'image, qui font appel à l'application de gradients de champ magnétique et à l'utilisation d'un outil mathématique performant (double transformée de Fourier), sont complexes [3, 5, 10, 12, 20].

Le résultat est la formation d'une image en deux dimensions, où chaque point correspond à la localisation du signal sur une coupe. L'intensité lumineuse de chaque point d'une image (en niveaux de gris) représente l'intensité du signal en chaque point de la coupe correspondante.

Modalités pratiques des examens d'IRM chez le cheval

Des contraintes existent pour la réalisation pratique des examens d'IRM chez le cheval.

En effet, les systèmes portatifs, utilisables chez le cheval debout, n'offrent qu'une qualité d'image très médiocre. Les systèmes performants qui existent actuellement ont été conçus pour un usage médical chez l'homme et ne sont utilisables que chez le cheval couché.

Ceci implique l'existence de contraintes spécifiques :

l'anesthésie générale est incontournable : le couchage et l'immobilité du cheval sont indispensables pour réaliser un examen d'IRM ;

seules les régions de diamètre limité peuvent être examinées : il s'agit des parties distales des membres et de la tête ;

un équipement spécifique est requis pour la contention et le positionnement de l'animal, en plus du matériel IRM standard.

En outre, l'utilisation d'un champ magnétique intense et d'ondes électromagnétiques nécessite le respect de certaines règles d'utilisation relatives à la sécurité du cheval et du personnel.

Appareillage et conduite d'un examen IRM chez le cheval

Le site IRM comprend :

- un box de couchage et de réveil ;

- la salle de l'aimant, protégée par une cage de Faraday qui empêche les interférences entre les ondes qui se propagent à l'extérieur du site et celles utilisées par la machine IRM ;

- les armoires d'alimentation du système ;

- la station de contrôle avec console de travail, qui constitue le lien entre l'opérateur et la machine. Ses fonctions sont multiples : mise en place des paramètres et lancement des séquences d'acquisition, visualisation des coupes effectuées, mesures, etc. ;

- le reprographe, qui fixe les images sur un support photographique ;

- un système d'archivage des données (disques optiques numériques ou compact-discs gravés).

Seule la salle de l'aimant fait l'objet d'une description.

L'aimant principal

L'aimant est l'élément de base de l'appareil. Il produit le champ magnétique B0. En IRM, les champs magnétiques utilisés sont intenses, variant de 0,04 à 2 Tesla (1 Tesla = 10 000Gauss), donc sans commune mesure avec l'intensité du champ magnétique terrestre (0,05 Gauss).

Différents types d'aimants existent (encadré 2).

Le principe des aimants résistifs permet de concevoir des aimants dits “ouverts”, dont l'avantage majeur est une configuration qui permet, chez le cheval, l'introduction facile des régions à explorer photo ).

Les antennes

Les antennes permettent l'émission des impulsions RF et la réception du signal. Le signal de résonance magnétique nucléaire (RMN) étant extrêmement faible, l'antenne de réception doit être d'excellente qualité, afin d'obtenir un rapport signal/bruit (S/B) le plus élevé possible. Le rapport S/B est le rapport entre l'intensité du signal étudié et l'écart type du bruit de fond. Plus ce rapport est élevé, meilleure est la qualité de l'image.

Le choix de l'antenne (encadré 3) dépend du volume à étudier et vise à obtenir un bon facteur de remplissage, qui correspond à un rapport le plus proche de 1, entre le volume interne total de l'antenne et le volume placé à l'intérieur de l'antenne.

Pour l'exploration des parties distales des membres (depuis le carpe ou le jarret jusqu'au doigt) du cheval, les antennes de choix sont les antennes de surface. En outre, il convient de porter le choix sur les modèles adaptés à l'anatomie particulière des régions à explorer (photo ).

Équipement spécifique au cheval

Le matériel d'anesthésie gazeuse comprend un circuit anesthésique composé presque exclusivement d'éléments amagnétiques (inox et aluminium). Seule la cuve à halothane est en acier magnétique. Il est placé à l'intérieur de la salle de l'aimant. Le ventilateur (photo ) est situé à l'extérieur de la salle de l'aimant, principalement en raison de son alimentation électrique. Des ouvertures réalisées dans la cage de Faraday permettent le passage des tuyaux qui relient le ventilateur au circuit anesthésique. L'appareillage destiné au monitoring d'anesthésie est compatible avec un usage dans la salle d'IRM.

Une table de couchage amagnétique (inox et aluminium) mobile permet le positionnement précis de la partie à examiner au centre du champ, dans la zone d'homogénéité maximale du champ (photo ).

Un plateau de support amagnétique (plexiglas) pour les régions à explorer, placé à l'intérieur de l'aimant, remplace la table utilisée en médecine humaine et permet le soutien des membres et des antennes tout en les isolant des vibrations de la machine.

Contraintes sur l'environnement, l'opérateur et l'animal

Toute masse fortement ferromagnétique située à proximité de l'aimant peut perturber l'homogénéité du champ B0 et induire l'apparition d'artefacts sur les images. En outre, sous l'effet du champ magnétique, les objets ferromagnétiques peuvent constituer des projectiles (“effet missile”) ou inversement, le champ magnétique peut détériorer certains objets (montres, cartes de crédit, etc.) [10].

Il est impératif de respecter certaines règles qui découlent de l'utilisation d'un champ magnétique intense. Ces règles concernent le cheval, le personnel et le matériel entrant dans la salle de l'aimant.

Le cheval doit être soigneusement déferré et il convient de vérifier, par un examen radiographique, l'absence de tout élément ferromagnétique (clou, matériel de fixation orthopédique).

Le personnel qui accède à la salle de l'aimant doit se débarrasser de tout objet métallique, téléphone portable et carte magnétique. En outre, il est impératif de respecter certaines contre-indications liées essentiellement à la présence du champ magnétique B0 et aux effets des ondes RF (échauffement aux fréquences élevées) (encadré 4).

Les matériels situés dans la salle de l'aimant (potence, panier de perfusion, matériel de contention, etc.) doivent être composés de matériaux non ferromagnétiques (aluminium, inox amagnétique, PVC, bois, laiton). Le matériel de surveillance et d'anesthésie doit être testé au préalable afin de vérifier sa compatibilité avec le champ magnétique.

Conclusion

L'IRM est devenue une technique de référence pour l'imagerie des affections musculo-squelettiques en médecine humaine. Son utilisation chez le cheval est limitée, principalement en raison de la nécessité de l'anesthésie générale de l'animal. Cette technique est cependant amenée à se développer en médecine équine. En effet, l'IRM offre de nouvelles potentialités d'imagerie de l'appareil locomoteur du cheval. Cet aspect est développé dans une deuxième partie consacrée à l'interprétation des images par résonance magnétique et à son intérêt dans le diagnostic des boiteries (voir en page 57 de ce numéro).

  • Remerciements : Les auteurs remercient le Dr Natacha Gimenez pour la réalisation des photographies

Éléments à retenir

• Malgré la complexité de la mise en œuvre de l'examen par IRM, la qualité des images pourrait faire de cette technique une référence pour l'exploration des affections de l'appareil locomoteur.

• L'anesthésie générale et le couchage du cheval sont indispensables pour obtenir des images de qualité.

• Outre le matériel d'IRM, un équipement spécifique pour assurer la contention est indispensable.

• En raison de l'application d'un champ magnétique puissant, il est nécessaire de débarrasser l'animal et le personnel de tout élément ferromagnétique.

Critères influençant le contraste de l'image

◊ Densité de protons r

La densité de protons r varie peu d'un tissu mou à l'autre. Elle ne joue donc qu'un faible rôle dans le contraste d'une image.

• Dans l'air, r est faible, peu de protons à exciter y sont présents. Le signal IRM est nul (noir) au niveau des voies aériennes et des poumons.

• L'os et les calcifications dont les molécules sont fixes n'engendrent que peu de signal (noir).

◊ Relaxations T1 et T2

Deux tissus différents possèdent des T1 et T2 différents (figure ) :

la graisse possède un T1 et un T2 courts ;

l'eau pure possède un T1 et un T2 longs,

les autres tissus possèdent des T1 et T2 intermédiaires.

Encadré 1. D'après [10].

Classement des aimants

◊ Les aimants peuvent être classés selon l'intensité de leur champ :

• les bas champs, jusqu'à 0,25Tesla ;

• les champs moyens, de 0,25 à 1 Tesla ;

• les hauts champs, supérieurs à 1 Tesla.

◊ Les aimants peuvent également être classés dans trois catégories selon leur type

• Les aimants résistifs sont constitués par un enroulement de fil de cuivre. Forts consommateurs de courant électrique, ils nécessitent un système de refroidissement. Les champs obtenus sont de faible intensité.

• Les aimants permanents sont constitués d'un bloc aimanté : ils ne consomment donc aucun courant électrique et ne nécessitent aucun refroidissement. Leur inconvénient est un poids élevé pour un champ magnétique relativement faible.

• Les aimants supraconducteurs sont les plus répandus. Ils sont constitués d'une bobine supraconductrice et d'un cryostat qui contient de l'hélium liquide à - 269°C, permettant de maintenir la bobine à l'état supraconducteur. Ils permettent l'obtention de champs élevés, sans pratiquement consommer de courant électrique.

Encadré 2. D'après [10].

Caractéristiques des antennes

Deux types d'antennes sont principalement distinguées :

◊ les antennes de volume, qui sont le plus souvent émettrices et réceptrices du signal RMN. Elles peuvent contenir un volume élevé et permettent d'obtenir un signal homogène sur tout le volume exploré.

Elles sont utilisées pour l'exploration globale des régions de gros volume (exemple : tête).

◊ les antennes de surface sont uniquement réceptrices. Rigides ou souples, elles sont appliquées le plus près possible des régions explorées. La proximité des tissus qui émettent le signal favorise un rapport S/B élevé. En revanche, le volume exploré par l'antenne est limité, en particulier en profondeur [7, 9]. Elles sont utilisées pour l'évaluation ciblée de régions de faible volume (exemple : articulation interphalangienne distale).

Encadré 3. D'après [8, 10].

Contre-indications d'accès à la salle de l'aimant

-Les contre-indications absolues (photo ) sont les stimulateurs cardiaques, les corps étrangers métalliques intra-oculaires, certains implants oculaires, auditifs ou vasculaires et certaines valves de dérivations cérébrales.

- Les trois premiers mois de grossesse sont également une contre-indication par principe de précaution : les effets des divers éléments physiques mis en œuvre en IRM ne sont pas encore bien connus.

Encadré 4. D'après [17].

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