L'imagerie par résonance magnétique (IRM) protonique repose avant tout sur les propriétés magnétiques de la matière. Pour comprendre l'origine des propriétés magnétiques de la matière, observons une toupie. Au repos, la toupie est couchée sur le côté. Si on lui applique un mouvement de rotation autour de son axe, la toupie se maintient verticale, sous l'effet d'une force parallèle à son axe de rotation. Cette force est le résultat du moment cinétique ( S) engendré par la rotation de la toupie. Si la toupie possède une charge électrique, à la force développée s'ajoute une force d'aimantation engendrée par le moment magnétique ( ). Les deux forces sont représentées par des données vectorielles (fig 1).

Cette relation liant le magnétisme et le déplacement d'une charge électrique avait déjà été découverte au siècle dernier par Oersted (un courant électrique engendre un champ magnétique) et Faraday (un aimant en mouvement produit un courant électrique) (fig 2).

Dans la matière vivante, le magnétisme provient des atomes. L'atome est composé d'un noyau et d'électrons qui gravitent selon des trajectoires définies. Le noyau est composé de nucléons répartis en protons et en neutrons. Les protons sont chargés positivement. Un nombre égal de protons et d'électrons assure la neutralité électrique de l'atome. Pour un noyau, quand le nombre de protons est identique au nombre de neutrons, le moment magnétique résultant est nul. Les principaux constituants atomiques de la matière vivante sont le carbone, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le soufre. Parmi ces atomes, l'hydrogène est le constituant principal des tissus mous contenant de 70 à 90 % d'eau. En fait, le noyau de l'atome d'hydrogène est constitué uniquement par un proton portant une charge positive.

Comme il tourne sur lui-même, il possède un moment cinétique appelé spin S. Étant chargé positivement, il possède de plus un moment magnétique (en fait lié au spin) que l'on peut représenter comme un dipôle magnétique (assimilé à un petit aimant avec un pôle positif et négatif) et animé d'un mouvement de rotation (fig 1).

Dans la matière vivante, en l'absence de champ magnétique externe, l'orientation de l'aimantation de chaque proton est aléatoire. Dans cet état, l'aimantation de la matière est nulle. Si l'on soumet la matière à un champ magnétique, les protons vont se répartir en deux populations sensiblement égales, parallèles ou antiparallèles à B₀. Les protons de sens parallèle correspondent aux protons de plus bas niveau d'énergie (E₁), les protons de sens antiparallèle correspondent aux protons de plus haut niveau d'énergie (E₂). En fait, le champ magnétique résultant aura pour origine le très faible excès de protons de sens parallèle situé sur le niveau de basse énergie car les spins de sens opposé vont s'annuler deuxà deux. Pour un champ magnétique de 0,5 tesla (T), cet excès représente environ quatre protons pour 2 millions (fig 3). Cela paraît faible, mais pour 1 cm³ d'eau, ce nombre de protons en excès équivaut tout de même à environ 134 millions de milliards de protons. Le champ magnétique résultant lié à cet excès de protons de sens parallèle constitue le vecteur d'aimantation macroscopique Mzo ; il est parallèle au champ principal B₀ et adopte un mouvement de rotation autour de son axe (comme le font individuellement chacun des protons) : c'est le mouvement de précession. La fréquence de ce mouvement, ou fréquence de précession _o, est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique appliqué.

Le vecteur d'aimantation macroscopique Mzo est très faible (indétectable) par rapport à B_0 ; on ne peut pas le mesurer directement ; il faut donc le basculer à 90° : c'est là qu'intervient l'onde de radiofréquence B₁ (ou deuxième champ magnétique, dit « tournant »). En effet, si on applique au vecteur Mzo en précession, pendant un court instant, une onde de radiofréquence (appelée également impulsion transversale), on peut modifier l'orientation du vecteur d'aimantation à condition que la fréquence _r de l'onde appliquée soit égale à la fréquence de précession du proton, _o : c'est la condition de résonance. Pour comprendre le phénomène de résonance, on peut prendre l'exemple d'une balançoire. Pour provoquer et pour maintenir le mouvement de balancier, il faut pousser la balançoire à la même fréquence que celle du mouvement pendulaire (fréquence propre). De la même façon, en IRM, l'impulsion de radiofréquence _r doit être en résonance avec la fréquence de précession (propre) du proton (_r = _o).

Lorsque cette condition de résonance est satisfaite, l'extrémité du vecteur s'abaisse en décrivant un mouvement complexe en spirale sur une calotte sphérique du pôle nord à l'équateur (fig 4A). Pour simplifier ce mouvement complexe en spirale, nous allons nous mettre dans le référentiel (x'Oy') tournant à la fréquence angulaire « ₀ » (fig 4B). Il y aura alors simple bascule du vecteur Mzo vers le plan xOy avec disparition de la composante longitudinale Mz de l'aimantation et apparition d'une composante transversale Mxy (fig 4C).

Pour mieux comprendre cet effet, il est utile d'analyser collectivement les mécanismes induits par l'onde de radiofréquence au niveau de la population excédentaire de protons (vecteur M) afin d'individualiser deux phénomènes, l'un concernant l'aimantation longitudinale (disparition) et l'autre l'aimantation transversale (apparition) (fig 5).

- L'onde de radiofréquence, en fournissant de l'énergie au système, favorise le passage (transition) des spins parallèles de basse énergie, à l'état de spin antiparallèle de haute énergie. Il résulte de ce phénomène une diminution de l'aimantation longitudinale, voire une annulation de celle-ci lorsqu'il y a égalisation des deux populations (fig 5B).

- Par ailleurs, les protons de la matière vivante soumis au seul champ principal B₀ adoptent un mouvement de précession de manière aléatoire, c'est-à-dire que la composante transversale résultante est nulle (fig 5A). L'onde de radiofréquence a pour conséquence de mettre en phase les protons de la matière. Ce faisant, elle induit l'apparition d'une composante transversale Mxy à l'aimantation (fig 5B).

Au total, l'impulsion RF, par deux mécanismes bien distincts mais simultanés, transition sur le niveau de haute énergie (E₁ E₂) et mise en phase des protons, va jouer sur la composante longitudinale et la composante transversale de M (fig 6)

Cet état est instable (comme lorsqu'on éloigne l'aiguille d'une boussole de la direction nord-sud), et dès la fin de l'excitation, il y aura retour à l'état d'équilibre (stable) au cours duquel les phénomènes inverses vont avoir lieu.

D'une part, progressivement par transitions inverses E₂ E₁ (antiparallèles  parallèles), l'aimantation longitudinale repousse et d'autre part, par déphasage des spins, l'aimantation transversale disparaît rapidement.

La figure  7 résume ce que nous venons d'apprendre jusqu'à présent :

- l'état d'équilibre engendré par B₀ avec apparition d'une composante de longitudinale de l'aimantation Mzo ;

- l'excitation due à l'application de l'onde RF (disparition de la composante longitudinale Mzo et apparition d'une composante transversale Mxy) ;

- le retour à l'état d'équilibre par les phénomènes de relaxation T1 et T2.

Il apparaît ainsi clairement deux « types » d'aimantation tissulaire : l'aimantation longitudinale Mz (ou M_L) parallèle à B₀ (concerne le T1) et l'aimantation transversale Mxy (ou M_T) perpendiculaire à B₀ (concerne le T2) (fig 8), dont l'apparition et la disparition font intervenir deux mécanismes très différents : respectivement, transitions des protons entre les niveaux d'énergie E₁ (protons (parallèles) et E₂ (antiparallèles) (ou inversement), et mise en phase (ou déphasage) des spins.

L'aimantation longitudinale Mz parallèle à B₀ (concerne le T1) et l'aimantation transversale Mxy perpendiculaire à B₀ (concerne le T2), dont l'apparition et la disparition font en fait intervenir des mécanismes bien distincts :

- transitions des protons entre les niveaux de E₁ : parallèles  E₂ : antiparallèles (et transitions inverse) ;

- mise en phase (et déphasage) des spins.

Lorsque cesse l'impulsion de radiofréquence, les phénomènes inverses concernant l'aimantation longitudinale et l'aimantation transversale vont se produire, les spins retournent à leur état d'équilibre, c'est la relaxation.

- D'une part, les spins qui s'étaient inversés retournent à leur état de spin parallèle sur le niveau de basse énergie. Cela conduit à une repousse de l'aimantation longitudinale : c'est la relaxation transversale. Le temps nécessaire à la récupération d'environ deux tiers (63 %) de l'aimantation longitudinale est le T1 (fig 9).

- D'autre part, les spins qui avaient été mis en phase pendant l'impulsion de radiofréquence vont se déphaser. La composante transversale disparaît alors rapidement : c'est la relaxation transversale. Le temps nécessaire à la disparition d'environ deux tiers (63 %) de l'aimantation transversale est appelé T2 (fig 10).

Issus de phénomènes distincts, l'un concernant l'aimantation longitudinale, l'autre concernant l'aimantation transversale, T1 et T2 sont indépendants. T1 est toujours très supérieur à T2 (environ dix fois). L'analyse (mesure) de la relaxation T1 et T2 conduit à la formation d'image exprimant respectivement les propriétés T1 et T2 des protons.

Pour mesurer la valeur de T1 et T2, il faut accéder à la mesure des vecteurs d'aimantation longitudinale et transversale. Cela se fait à l'aide d'antennes qui transforment l'aimantation tissulaire (en rotation à la vitesse ) en signal électrique (comme le fait une dynamo). C'est là qu'on utilise le postulat : un vecteur d'aimantation qui tourne induit un courant électrique dans une bobine (Faraday).

Seul le déphasage de l'aimantation transversale est mesurable directement (fig 11). La repousse de l'aimantation longitudinale, parallèle au champ principal B₀ très élevé, n'est, on le verra, accessible qu'indirectement (en la « rebasculant » à 90° et en effectuant la mesure immédiatement !).

Le très faible signal auquel nous accédons est en fait mesuré par une antenne réceptrice placée dans le plan xOy qui détecte les variations d'un champ magnétique tournant Mxy (faible) ou onde de radiofréquence. Ce signal correspond à la mesure de la décroissance (rapide) de l'aimantation transversale en « T2* » dans le plan xOy où se trouve l'antenne réceptrice. Nous verrons ultérieurement comment on exploite ce signal dans la séquence d'écho de spin.