L’imagerie par résonance magnétique est devenue un outil indispensable pour le diagnostic médical. L’utilisation de métamatériaux – des cartes de circuits imprimés dont les propriétés peuvent être systématiquement ajustées – peut multiplier par cinq la sensibilité de mesure. Les métamatériaux peuvent également rendre les analyses plus rapides et plus silencieuses. Les chercheurs des instituts Fraunhofer pour la médecine numérique MEVIS et pour la physique des hautes fréquences et les techniques radar FHR travaillent ensemble pour rendre les examens plus agréables pour les patients.
L’imagerie par résonance magnétique – en abrégé IRM – permet aux médecins d’imager et d’examiner le cerveau, la moelle épinière, les organes internes, les muscles et les articulations couche par couche. Cette technologie exploite le fait que certains noyaux du corps peuvent être très légèrement magnétisés. Il peut même représenter des mouvements d’organes, tels que les battements du cœur. Mais aussi impressionnante et révélatrice que puisse être cette imagerie, pour les patients, la procédure est souvent désagréable – après tout, elle est bruyante.
Sensibilité de mesure jusqu’à cinq fois supérieure
Obtenir une IRM pourrait bientôt devenir plus agréable pour les patients. Des équipes de chercheurs des instituts Fraunhofer MEVIS et FHR travaillant sur un projet Fraunhofer ont réussi à augmenter à plusieurs reprises la sensibilité des appareils d’IRM dans certaines circonstances. «Si l’IRM fonctionne avec des bobines haute fréquence placées sur le corps du patient, en fonction de la question, nous pouvons améliorer la dynamique jusqu’à 20%», déclare le Dr Thomas Bertuch, chef d’équipe chez Fraunhofer FHR. « Si les bobines installées dans l’appareil IRM sont utilisées, le signal mesuré peut même être multiplié par cinq. » Pour les médecins, cela signifie que les structures sur les images IRM peuvent être discernées avec beaucoup plus de détails.
Les équipes de recherche ont réalisé cette grande augmentation de la sensibilité avec des disques métamatériaux spéciaux conçus pour être posés sur la partie du corps à examiner lors d’une IRM.
Ces métamatériaux ne sont pas des matériaux au sens traditionnel du terme, mais des circuits imprimés peuplés de structures et de pistes spéciales qui permettent de concevoir des matériaux aux propriétés efficaces – y compris des matériaux qui n’existent pas dans la nature. «
Dr Thomas Bertuch, chef d’équipe chez Fraunhofer FHR
Alors que le champ électromagnétique utilisé pour exciter les atomes dans le corps doit être assez fort, le signal que ces atomes renvoient – la base de la mesure IRM – est extrêmement faible. Si les pistes de métamatériaux sont conçues dans cet esprit, elles peuvent concentrer de manière optimale les champs de réception pour augmenter la sensibilité de mesure.
L’un des défis auxquels les chercheurs ont été confrontés ici était que les signaux réfléchis avaient la même longueur d’onde et la même fréquence que les signaux d’excitation. Le signal d’excitation étant déjà très fort, il n’est pas souhaitable de le booster encore plus. Pour contourner cet obstacle, les chercheurs ont imaginé une astuce: ils intègrent des composants non linéaires, comme des diodes, dans les métamatériaux. Si le champ est fort, ces composants désaccordent la fréquence de résonance du disque de telle manière qu’aucune amplification ne se produit.
Si, au contraire, le champ est faible, le signal reçoit l’amplification souhaitée. Les chercheurs ont déjà mesuré une variété de disques métamatériaux dans l’appareil d’IRM Fraunhofer MEVIS et établi leur effet amplificateur. Des équipements de mesure supplémentaires sont disponibles dans ces deux instituts Fraunhofer – y compris un système de mesure qui leur permet d’évaluer avec précision le champ magnétique ambiant et son évolution sous l’effet des disques de métamatériaux.
Plus silencieux et plus rapide
Quiconque a déjà couché dans un appareil d’IRM sait que ce n’est pas seulement l’espace exigu, mais surtout le bruit fort qui cause le stress des patients. Déterminer quelle partie du corps renvoie quel signal nécessite généralement un champ magnétique dont la force varie avec la position – le champ de gradient. Les bobines commutables superposent dynamiquement ce champ sur le fort champ magnétique permanent, ce qui provoque le bruit fort. «Le bruit le plus fort pendant la mesure est généralement produit lorsque les images sont enregistrées», explique le professeur Matthias Günther, directeur adjoint de Fraunhofer MEVIS. « Nous travaillons sur l’utilisation de métamatériaux pour éliminer complètement cette source de bruit. »
À cette fin, les chercheurs impliqués dans le projet Fraunhofer utilisent un système de réseau de métamatériaux. Les signaux provenant des diverses régions du corps frappent différents « pixels » dans le système de réseau, de sorte qu’il sert également à localiser les signaux. Le premier prototype devrait être achevé au printemps 2021, et les chercheurs prévoient de l’améliorer ultérieurement. Cependant, les examens ne seront pas complètement silencieux: il n’y a actuellement rien qui puisse être fait sur le bruit généré lorsque le champ magnétique est commuté pour obtenir des informations d’image spéciales, telles que la circulation sanguine ou des effets de diffusion, mais il peut être rendu beaucoup plus silencieux bruit produit par l’imagerie.
Et si une commutation de champ magnétique supplémentaire pour l’imagerie peut être éliminée, le processus devient également beaucoup plus rapide. « Selon des calculs théoriques, notre technologie devrait nous permettre d’effectuer des scans jusqu’à mille fois plus rapidement. Ce n’est que lorsque les expériences auront été faites que nous saurons à quelle vitesse cela sera en pratique », déclare Günther. Les patients pourraient alors bénéficier d’examens beaucoup plus rapides et plus silencieux.
