Diagnostic de l'arthrose: imagerie par résonance magnétique

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est devenue ces dernières années l'une des principales méthodes de diagnostic non invasif de l'arthrose. Depuis les années 1970, lorsque les principes de la résonance magnétique (IRM) ont été utilisés pour la première fois pour étudier le corps humain, cette méthode d'imagerie médicale a connu une évolution spectaculaire et continue d'évoluer rapidement.

Les équipements techniques et les logiciels sont améliorés, les méthodes d'acquisition d'images se développent et les agents de contraste pour l'IRM sont mis au point. Cela permet de découvrir constamment de nouveaux domaines d'application de l'IRM. Si, au départ, son application se limitait à l'étude du système nerveux central, l'IRM est aujourd'hui utilisée avec succès dans presque tous les domaines de la médecine.

En 1946, des groupes de chercheurs des universités de Stanford et de Harvard ont découvert indépendamment un phénomène appelé résonance magnétique nucléaire (RMN). Ce phénomène repose sur la capacité des noyaux de certains atomes, placés dans un champ magnétique, à absorber de l'énergie puis à l'émettre sous forme de signal radio sous l'influence d'un champ électromagnétique externe. Cette découverte a valu à F. Bloch et E. Parmel le prix Nobel en 1952. Ce nouveau phénomène a rapidement été utilisé pour l'analyse spectrale des structures biologiques (spectroscopie RMN). En 1973, Paul Rautenburg a démontré pour la première fois la possibilité d'obtenir une image à partir de signaux RMN. C'est ainsi qu'est née la tomographie RMN. Les premiers tomogrammes RMN des organes internes d'une personne vivante ont été présentés en 1982 lors du Congrès international des radiologues à Paris.

Deux précisions s'imposent. Bien que la méthode soit basée sur le phénomène de RMN, elle est appelée résonance magnétique (RM), sans le mot « nucléaire ». Ceci afin d'éviter aux patients de se préoccuper de la radioactivité associée à la désintégration des noyaux atomiques. Deuxièmement, les tomographies par IRM ne sont pas « accordées » accidentellement sur les protons, c'est-à-dire les noyaux d'hydrogène. Cet élément est présent en abondance dans les tissus, et ses noyaux possèdent le moment magnétique le plus élevé de tous les noyaux atomiques, ce qui détermine un niveau de signal IRM relativement élevé.

Si en 1983, seuls quelques appareils adaptés à la recherche clinique étaient disponibles dans le monde, début 1996, environ 10 000 tomographes étaient en service dans le monde. Chaque année, 1 000 nouveaux appareils sont mis en service. Plus de 90 % du parc de tomographes à IRM sont des modèles équipés d'aimants supraconducteurs (0,5-1,5 T). Il est intéressant de noter que si, au milieu des années 1980, les fabricants de tomographes à IRM étaient guidés par le principe « plus le champ est élevé, mieux c'est », privilégiant les modèles à 1,5 T et plus, il est devenu évident à la fin des années 1980 que, dans la plupart des domaines d'application, ces appareils ne présentaient pas d'avantages significatifs par rapport aux modèles à champ moyen. C'est pourquoi les principaux fabricants de tomographes à résonance magnétique (General Electric, Siemens, Philips, Toshiba, Picker, Bruker, etc.) accordent actuellement une grande importance à la production de modèles à champ moyen, voire faible, qui se distinguent des systèmes à champ élevé par leur compacité et leur économie, tout en offrant une qualité d'image satisfaisante et un coût nettement inférieur. Les systèmes à champ élevé sont principalement utilisés dans les centres de recherche en spectroscopie par résonance magnétique.

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Principe de la méthode IRM

Les principaux composants d'un scanner IRM sont: un aimant ultra-puissant, un émetteur radio, une bobine réceptrice de radiofréquence, un ordinateur et un panneau de commande. La plupart des appareils possèdent un champ magnétique dont le moment magnétique est parallèle à l'axe longitudinal du corps humain. L'intensité du champ magnétique est mesurée en teslas (T). Pour l'IRM clinique, des champs d'une intensité de 0,2 à 1,5 T sont utilisés.

Lorsqu'un patient est placé dans un champ magnétique intense, tous les protons, qui sont des dipôles magnétiques, tournent dans la direction du champ externe (comme l'aiguille d'une boussole orientée vers le champ magnétique terrestre). De plus, les axes magnétiques de chaque proton commencent à tourner autour de la direction du champ magnétique externe. Ce mouvement de rotation spécifique est appelé procession, et sa fréquence est appelée fréquence de résonance. Lorsque de courtes impulsions électromagnétiques de radiofréquence traversent le corps du patient, le champ magnétique des ondes radio provoque la rotation des moments magnétiques de tous les protons autour du moment magnétique du champ externe. Pour que cela se produise, la fréquence des ondes radio doit être égale à la fréquence de résonance des protons. Ce phénomène est appelé résonance magnétique. Pour modifier l'orientation des protons magnétiques, les champs magnétiques des protons et des ondes radio doivent résonner, c'est-à-dire avoir la même fréquence.

Un moment magnétique net est créé dans les tissus du patient: les tissus sont magnétisés et leur magnétisme est orienté strictement parallèlement au champ magnétique externe. Le magnétisme est proportionnel au nombre de protons par unité de volume de tissu. Le nombre considérable de protons (noyaux d'hydrogène) contenus dans la plupart des tissus signifie que le moment magnétique net est suffisamment important pour induire un courant électrique dans une bobine réceptrice située à l'extérieur du patient. Ces signaux d'IRM induits sont utilisés pour reconstruire l'image IRM.

Le processus de transition des électrons du noyau de l'état excité à l'état d'équilibre est appelé relaxation spin-réseau ou relaxation longitudinale. Il est caractérisé par le temps de relaxation spin-réseau (T1), qui correspond au temps nécessaire pour transférer 63 % des noyaux à l'état d'équilibre après leur excitation par une impulsion de 90°. On distingue également le temps de relaxation spin-spin (T2).

Il existe plusieurs méthodes pour obtenir des tomographies par IRM. Elles diffèrent par l'ordre et la nature des impulsions radiofréquence générées et par les méthodes d'analyse du signal. Les deux méthodes les plus utilisées sont la méthode spin-réseau et la méthode écho-spin. La méthode spin-réseau analyse principalement le temps de relaxation T1. Différents tissus (matière grise et blanche du cerveau, liquide céphalo-rachidien, tissu tumoral, cartilage, muscles, etc.) contiennent des protons avec des temps de relaxation T1 différents. L'intensité du signal IRM est liée à la durée de T1: plus le T1 est court, plus le signal IRM est intense et plus la zone de l'image est lumineuse sur l'écran. Le tissu adipeux est blanc sur les tomographies par IRM, suivi par le cerveau et la moelle épinière, les organes internes denses, les parois vasculaires et les muscles, par ordre décroissant d'intensité du signal IRM. L'air, les os et les calcifications ne produisent pratiquement pas de signal IRM et sont donc représentés en noir. Ces relations de temps de relaxation T1 créent les conditions préalables à la visualisation des tissus normaux et altérés sur les scanners IRM.

Dans une autre méthode d'IRM, appelée écho de spin, une série d'impulsions radiofréquence est dirigée vers le patient, ce qui provoque une rotation de 90° des protons en précession. Après l'arrêt des impulsions, les signaux IRM de réponse sont enregistrés. Cependant, l'intensité du signal de réponse est liée différemment à la durée du T2: plus le T2 est court, plus le signal est faible et, par conséquent, plus la luminosité de l'écran est faible. Ainsi, l'image IRM finale obtenue avec la méthode T2 est l'inverse de celle obtenue avec la méthode T1 (un négatif étant l'inverse d'un positif).

Les tomographies IRM visualisent mieux les tissus mous que les scanners: muscles, couches adipeuses, cartilages et vaisseaux sanguins. Certains appareils permettent d'obtenir des images des vaisseaux sanguins sans injection de produit de contraste (angiographie IRM). Grâce à la faible teneur en eau du tissu osseux, celui-ci ne crée pas d'effet de protection, contrairement à la tomodensitométrie à rayons X, c'est-à-dire qu'il n'interfère pas avec l'image, par exemple, de la moelle épinière, des disques intervertébraux, etc. Bien entendu, les noyaux d'hydrogène ne sont pas seulement contenus dans l'eau; dans le tissu osseux, ils sont fixés dans de très grosses molécules et des structures denses et n'interfèrent pas avec l'IRM.

Avantages et inconvénients de l'IRM

Les principaux avantages de l'IRM sont son caractère non invasif, son innocuité (absence d'exposition aux radiations), la volumétrie de l'acquisition d'images, le contraste naturel du sang en mouvement, l'absence d'artefacts osseux, une différenciation élevée des tissus mous et la possibilité de réaliser une spectroscopie MP pour des études in vivo du métabolisme tissulaire. L'IRM permet d'obtenir des images de couches minces du corps humain dans n'importe quelle section: frontale, sagittale, axiale et oblique. Il est possible de reconstruire des images volumétriques d'organes et de synchroniser l'acquisition des tomogrammes avec les données de l'électrocardiogramme.

Les principaux inconvénients comprennent généralement le temps relativement long nécessaire pour obtenir des images (généralement quelques minutes), ce qui conduit à l'apparition d'artefacts provenant des mouvements respiratoires (ce qui réduit particulièrement l'efficacité de l'examen pulmonaire), des arythmies (lors de l'examen cardiaque), l'incapacité à détecter de manière fiable les calculs, les calcifications, certains types de pathologie osseuse, le coût élevé de l'équipement et de son fonctionnement, les exigences particulières pour les locaux dans lesquels se trouvent les appareils (protection contre les interférences), l'impossibilité d'examiner les patients souffrant de claustrophobie, les stimulateurs cardiaques artificiels, les gros implants métalliques en métaux non médicaux.

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Agents de contraste pour IRM

Au début de l'utilisation de l'IRM, on pensait que le contraste naturel entre les différents tissus rendait l'utilisation d'agents de contraste superflue. On a rapidement découvert que la différence de signal entre les différents tissus, c'est-à-dire le contraste de l'image IRM, pouvait être significativement améliorée par les agents de contraste. La commercialisation du premier agent de contraste IRM (contenant des ions gadolinium paramagnétiques) a considérablement accru la valeur diagnostique de l'IRM. L'utilisation des agents de contraste IRM consiste essentiellement à modifier les paramètres magnétiques des protons des tissus et des organes, c'est-à-dire à modifier le temps de relaxation (TR) des protons T1 et T2. Il existe aujourd'hui plusieurs classifications d'agents de contraste IRM (ou plutôt d'agents de contraste - CA).

Selon l'effet prédominant sur le temps de relaxation, le MR-KA est divisé en:

• T1-CA, qui raccourcit T1 et augmente ainsi l'intensité du signal MP tissulaire. On les appelle également AC positives.
• Les T2-CA raccourcissent le temps T2, réduisant ainsi l'intensité du signal IRM. Ce sont des AC négatifs.

En fonction de leurs propriétés magnétiques, les MR-CA sont divisés en paramagnétiques et superparamagnétiques:

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Agents de contraste paramagnétiques

Les propriétés paramagnétiques sont celles des atomes possédant un ou plusieurs électrons non appariés. Il s'agit des ions magnétiques de gadolinium (Gd), de chrome, de nickel, de fer et de manganèse. Les composés de gadolinium sont ceux qui ont reçu la plus large application clinique. L'effet de contraste du gadolinium est dû au raccourcissement des temps de relaxation T1 et T2. À faibles doses, l'effet sur T1 prédomine, augmentant l'intensité du signal. À fortes doses, c'est l'effet sur T2 qui prédomine, réduisant l'intensité du signal. Les paramagnétiques sont aujourd'hui largement utilisés en diagnostic clinique.

Agents de contraste superparamagnétiques

_L' effet dominant de l'oxyde de fer superparamagnétique est le raccourcissement de la relaxation T2. L'intensité du signal diminue avec l'augmentation de la dose. Les AC ferromagnétiques, qui comprennent des oxydes de fer ferromagnétiques structurellement similaires à la ferrite de magnétite (Fe2 ^+OFe23 + _O3 ), peuvent également être inclus dans ce groupe d'AC.

La classification suivante est basée sur la pharmacocinétique du CA (Sergeev PV et al., 1995):

• extracellulaire (non spécifique d'un tissu);
• gastro-intestinal;
• organotrope (spécifique à un tissu);
• macromoléculaires, qui sont utilisés pour déterminer l'espace vasculaire.

En Ukraine, quatre MR-CA sont connus: des CA paramagnétiques extracellulaires hydrosolubles, parmi lesquels le gadodiamide et l'acide gadopentétique sont largement utilisés. Les autres groupes de CA (2 à 4) font actuellement l'objet d'essais cliniques à l'étranger.

MR-CA extracellulaire hydrosoluble

Nom international	Formule chimique	Structure
Acide gadopentétique	Pentaacétate de diéthylènetriamine diméglumine de gadolinium ((NMG)2Gd-DTPA)	Linéaire, ionique
Acide gadotérique	(NMG)Gd-DOTA	Cyclique, ionique
Gadodiamide	Pentaacétate de diéthylènetriamine-bis-méthylamide de gadolinium (Gd-DTPA-BMA)	Linéaire, non ionique
Gadotéridol	Gd-HP-D03A	Cyclique, non ionique

Les CA extracellulaires sont administrés par voie intraveineuse, 98 % d'entre eux sont excrétés par les reins, ne pénètrent pas la barrière hémato-encéphalique, ont une faible toxicité et appartiennent au groupe des substances paramagnétiques.

Contre-indications à l'IRM

Les contre-indications absolues incluent les situations où l'examen met en danger la vie du patient. Par exemple, la présence d'implants activés électroniquement, magnétiquement ou mécaniquement – il s'agit principalement de stimulateurs cardiaques artificiels. L'exposition aux radiofréquences d'un scanner IRM peut perturber le fonctionnement d'un stimulateur cardiaque fonctionnant sur demande, car les variations des champs magnétiques peuvent imiter l'activité cardiaque. L'attraction magnétique peut également provoquer le déplacement du stimulateur cardiaque dans son alvéole et le déplacement des électrodes. De plus, le champ magnétique crée des obstacles au fonctionnement des implants ferromagnétiques ou électroniques de l'oreille moyenne. La présence de valves cardiaques artificielles est dangereuse et ne constitue une contre-indication absolue qu'en cas d'examen par IRM à champs élevés et en cas de suspicion clinique de lésion de la valve. Les contre-indications absolues à l'examen incluent également la présence de petits implants chirurgicaux métalliques (clips hémostatiques) dans le système nerveux central, car leur déplacement dû à l'attraction magnétique peut entraîner un risque d'hémorragie. Leur présence dans d'autres parties du corps présente moins de risques, car après traitement, la fibrose et l'encapsulation des pinces contribuent à leur stabilité. Cependant, outre le danger potentiel, la présence d'implants métalliques aux propriétés magnétiques provoque dans tous les cas des artefacts qui compliquent l'interprétation des résultats de l'étude.

Contre-indications à l'IRM

Absolu:	Relatif:
Stimulateurs cardiaques	Autres stimulants (pompes à insuline, stimulateurs nerveux)
Implants d'oreille moyenne ferromagnétiques ou électroniques	Implants d'oreille interne non ferromagnétiques, prothèses de valves cardiaques (en champs élevés, si un dysfonctionnement est suspecté)
Clips hémostatiques des vaisseaux cérébraux	Clips hémostatiques à d'autres endroits, insuffisance cardiaque décompensée, grossesse, claustrophobie, nécessité d'une surveillance physiologique

Les contre-indications relatives, outre celles mentionnées ci-dessus, incluent l'insuffisance cardiaque décompensée et la nécessité d'une surveillance physiologique (ventilation mécanique, pompes à perfusion électriques). La claustrophobie constitue un obstacle à l'étude dans 1 à 4 % des cas. Elle peut être surmontée, d'une part, par l'utilisation d'appareils à aimants ouverts, d'autre part, par une explication détaillée de l'appareil et du déroulement de l'examen. Il n'existe aucune preuve d'effet délétère de l'IRM sur l'embryon ou le fœtus, mais il est recommandé d'éviter l'IRM au cours du premier trimestre de la grossesse. Le recours à l'IRM pendant la grossesse est indiqué lorsque les autres méthodes d'imagerie diagnostique non ionisantes ne fournissent pas d'informations satisfaisantes. L'examen par IRM nécessite une plus grande participation du patient que la tomodensitométrie, car les mouvements du patient pendant l'examen ont un impact beaucoup plus important sur la qualité des images. L'examen des patients présentant une pathologie aiguë, des troubles de la conscience, des troubles spastiques, une démence, ainsi que des enfants, est donc souvent difficile.

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