[RMN] Résonance magnétique nucléaire : détail du phénomène de mise en phase des protons

[ArnaudNOO]

Bonjour,

Voilà quelques jours que je m'intéresse à la technologie IRM et donc naturellement à la RMN. Le principe est couramment expliqué que ce soit sur internet ou dans des livres sur l'IRM, mais certaines parties sont hélas résumées de façon un peu trop rapide.
En l'occurrence, le passage qui explique l'évolution de la composante transversale de la résultante magnétique garde ses zones d'ombres. Il est souvent expliqué que lorsque l'on fournit de l'énergie aux protons (avec un signal RF de Larmor), on fait passer des protons orientés dans le sens parallèle au champ dans le sens antiparallèle (passage de protons à l'état d'énergie bas à l'état d'énergie haut). Et surtout, que lors de ce changement, les protons se mettent en phase les uns par rapport aux autres. Et hop, on passe à la suite sans plus détailler ce phénomène.

En effet, quels sont réellement les protons qui se mettent en phase et avec lesquels ???

Partons sur un exemple simple (enfin j'espère ) : un champ magnétique constant de 0.5 Tesla et un échantillon de 2 million et 4 protons. Les seuls protons qui nous intéressent sont les 4 qui à l'équilibre sont dans le sens parallèle (les 2 autres millions se compensant en permanence). En schématisant (plus simple à reprendre qu'un schéma), si :
"<" représente un proton parallèle, de basse énergie donc,
">" un proton antiparallèle (haute énergie)
">x" représente un proton avec une phase x (des x différents représentent donc des phases différentes)
A l'équilibre, avec nos 4 protons, nous avons donc cet état (4 protons déphasés donc résultante transversale nulle) :
étape 0 : <1 <2 <3 <4
Jusque là, ça va. C'est après que j'ai des doutes sur le comment (c'est donc peut-être faux) ! En effet, vient l'excitation électromagnétique radioFréquence à la fréquence de Larmor, qui commence à faire passer un premier proton à l'état "up" :
étape 1 : <1 <2 <3 >3 (le premier proton a devenir antiparallèle se met en phase avec un des protons parallèles)
On continue l'excitation (impulsion 90°) :
étape 2 : <3 >3 <3 >3
étape 3 : <3 >3 >2 >4 (un autre proton devient antiparallèle en changeant de phase)
étape 4 : >1 >3 >2 >4 (impulsion 180°)

Voilà, à partir de l'étape 1, j'ai des doutes. En tout cas, aucune certitude ! En bref, est-ce que les protons se mettent en phase en "couple" de 1 proton parallèle et 1 antiparallèle ??? Puis s'accorde entre couple pour avoir la même phase ??? Ou est-ce que ça fonctionne autrement. C'est possible que je ne regarde pas au bon endroit aussi...

Merci de m'éclairer si vous le pouvez.
-----

[albanxiii]

Bonjour et bienvenu au forum,

les protons se mettent en phase les uns par rapport aux autres. Et hop, on passe à la suite sans plus détailler ce phénomène.

Il faudrait que vous précisiez ce que vous entendez par ce qui est en gras.
Voulez-vous parlez de mouvement de précession des spins / moments magnétiques des protons qui se ferait en phase ?
Ou plus simplement voulez-vous dire que les spins sont alignés dans la même direction ?
Ou est-ce autre chose ?

@+

[ArnaudNOO]

Bonjour et merci pour l'accueil et la réponse !

Il faudrait que vous précisiez ce que vous entendez par ce qui est en gras.

En fait, ce qui est en gras, c'est justement ce que je cherche à préciser et qui est expliqué tel quel dans les documents que j'ai lu.

Mais sinon, oui, je veux bien parler du mouvement de précession :


A l'équilibre (échantillon soumis seulement à un champ magnétique constant), les rotations du mouvement de précession sont déphasées et donc, à l'échelle de l'échantillon, les composantes transversales se compensent : la résultante transversale est donc nulle.
Par contre, lors de la mise en résonance des protons, il est expliqué que les protons excités se mettent en phase "les uns par rapport aux autres" (ce qui crée donc, au fur-et-à-mesure de la mise en phase de plus en plus de protons, une résultante transversale). Mais, en détail, de quelle façon ?

@+

[albanxiii]

Re-bonjour,

A l'équilibre (échantillon soumis seulement à un champ magnétique constant), les rotations du mouvement de précession sont déphasées et donc, à l'échelle de l'échantillon, les composantes transversales se compensent : la résultante transversale est donc nulle.

D'accord.

Par contre, lors de la mise en résonance des protons, il est expliqué que les protons excités se mettent en phase "les uns par rapport aux autres" (ce qui crée donc, au fur-et-à-mesure de la mise en phase de plus en plus de protons, une résultante transversale). Mais, en détail, de quelle façon ?

Je crois que j'ai compris ce que vous cherchez à... comprendre.

Lorsqu'on applique l'impulsion radiofréquence, le champ magnétique résultant est la somme de ce champ et du champ statique. On l'appelle le champ effectif . Et il se trouve que les spins ou les moments magnétiques vont basculer tous dans la même direction par rapport à ce champ effectif.

On voit ça en se plaçant dans le repère tournant à la pulsation de Larmor. Dans ce référentiel, lorsque seul le champ statique est appliqué, les spins sont immobiles (pas de précession, puisqu'on est dans le repère qui tourne à la même vitesse qu'eux). Quand on applque le champ radiofréquence, les spins vont tous basculer dans le sens de ce champ, et donc se retrouver alignés dans la même direction. Quand on repasse dans le repère fixe du laboratoire, on voit une aimantation qui "tourne" ou précessse autour du champ statique. Et qui va finir par retrouver sa position d'équilibre initiale. Vous trouverez quelques schémas assez parlants sur cette page wiki http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9...nucl%C3%A9aire

Je suis obligé d'être rapide ce midi, mais si ça n'est pas clair, n'hésitez pas à le dire, et si d'ici là personne n'est venu vous éclairer, je le ferais un peu plus tard.

@+

[A voir en vidéo sur Futura]

[ArnaudNOO]

Re-bonjour,

Bon, je n'ai pas encore attisé ma faim, mais votre aide m'a fait beaucoup avancée !

Vous trouverez quelques schémas assez parlants sur cette page wiki http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9...nucl%C3%A9aire

Je tiens à préciser que je m'occupe de la spectroscopie RMN impulsionnelle (application courte d'un champ magnétique tournant à la vitesse de précession du champ magnétique principal).
De plus, il semble courant d'étudier le phénomène par 2 approches :
- du point de vue de la mécanique "classique"
- de celui de la mécanique quantique

Or, ma question se situe au niveau de ce que vous me détaillez du point de vue "classique", mais du point de vue de la mécanique quantique.
En effet, je comprends bien le principe que l'excitation RF va incliner la résultante magnétique selon l'intensité et la durée de l'impulsion.

Par contre, au niveau des protons en excès, il est expliqué que l'excitation va les faire passer de l'état bas d'énergie à l'état haut (et donc du sens parallèle au champ globale Beff au sens antiparallèle), mais en détails, c'est dur à visualiser... On comprends que ce passage est progressif (proton par proton) et que au fur-et-à-mesure, cela va incliner la résultante magnétique de l'échantillon :
- En diminuant la résultante longitudinale de part l'inversion des protons en excès de parallèle en antiparallèle
- En augmentant la résultante transversale par la mise en phase des protons en excès...

Mais, par exemple, si les seuls protons à se mettre en phase sont les protons en excès qui sont passés anti-parallèle, alors, une impulsion à 180° devrait en réalité garder une composante transversale maximale (tous les protons en excès sont en anti-parallèles et donc en phase). Donc, deuxième scénario, lorsque les protons passent en anti-parallèle, ils se mettent en phase en "couple" avec un des protons en excès rester parallèle. Et lorsqu'un proton en excès casse son couple en passant en antiparallèle, le couple se déphase. Et dans ce scénario, on arrive bien à une impulsion à 180° lorsque tous les protons en excès sont en antiparallèle.

Ca doit pas être très clair, faudrait que je fasse un schéma ! Mais voilà le point d'ombre dans ma compréhension.
@+