Supraconducteurs et imagerie médicale

26/08/2017
Auteurs : Guy Aubert
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-6:19587
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Supraconducteurs et imagerie médicale

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REE N°6/2011 ◗ 67 Les supraconducteurs en electrotechnique Guy Aubert Professeur émérite à l’université Joseph Fourier, Grenoble Conseiller scientifique au CEA/DSM/Irfu, Saclay « Passer une IRM » est aujourd’hui aussi courant que « passer une radio » mais la plupart des millions de patients qui bénéficient de cette modalité d’examen ne se doutent pas que sans les supraconducteurs ils ne pourraient encore que s’en remettre aux rayons X. Cette technique d’imagerie par résonance ma- gnétique (IRM) est relativement récente puisque la première machine commerciale fut produite en 1980 mais elle a connu, notamment grâce aux supracon- ducteurs, un développement extraordinaire avec aujourd’hui plusieurs dizaines de milliers de machi- nes installées dans le monde dont près de la moitié aux USA. La France est malheureusement à la traîne des pays développés avec quelque 600 machines seulement, soit 9,4 par million d’habitants alors que les USA en ont plus de 25 et le Japon plus de 40 par million d’habitants. Si ce développement doit beaucoup aux supracon- ducteurs, la réciproque n’en est pas moins vraie puis- que l’IRM représente environ 75 % de leur marché total. Un peu d’histoire En 1946, deux physiciens américains Felix Bloch et Edward M. Purcell découvrent indépendamment le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN), découverte qui leur valut le prix Nobel de physique en 1952. Le 6 octobre 2003, le prix Nobel de physiologie ou de médecine est attribué conjoin- tement à Paul C. Lauterbur et Peter Mansfield pour leurs découvertes concernant «  l’imagerie par réso- nance magnétique ». Entre temps, on a donc préféré omettre le qualificatif « nucléaire » pour éviter toute confusion avec des phénomènes moins inoffensifs dans l’esprit d’un public non averti, mais il s’est pas- sé bien d’autres choses avec entre autres de vives controverses relatives à l’invention même de l’IRM, aux brevets originaux et à l’attribution du prix Nobel en 2003. Pour bien comprendre, il faut tout d’abord rappeler quelques notions de base. - RMN La RMN nécessite un champ magnétique principal B0 avec lequel les moments magnétiques des noyaux (d’où le « nucléaire ») qui y sont plongés tendent à s’aligner. Tous les noyaux ne possèdent pas de mo- ment magnétique mais s’ils en ont un, il est associé et proportionnel à un moment cinétique de rotation (spin) qui ne leur permet pas de s’aligner simplement mais les entraîne au contraire, par effet gyroscopique, dans un mouvement de précession autour de la direc- tion du champ magnétique, à l’image de ce que fait une toupie en rotation rapide dans le champ de gra- vitation terrestre. La fréquence de précession dépend du noyau considéré mais elle est rigoureusement proportionnelle à la valeur du champ magnétique B0 , soit 42.577 MHz / T pour le noyau de l’atome d’hy- drogène (proton), de loin le plus répandu dans les tis- sus vivants constitués en très grande partie d’eau. Ce mouvement de précession est bien entendu amorti par des phénomènes dissipatifs et un équilibre est finalement atteint où rien n’est observable si le champ Supraconducteurs et imagerie médicale After difficult beginnings in the 1970s, magnetic resonance imaging (MRI) has evolved to become nowadays the jewel in the crown of medical technology. Superconductors have been a key factor for the extraordinary expansion of MRI which in turn represents about 75 % of their total market. After recalling some basic principles, this article traces their common history and refers to future developments. abstract 68 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique magnétique reste constant. On peut perturber cet équilibre en appliquant un champ magnétique B1 perpendiculaire à B0 et cette perturbation est particulièrement efficace si l’on fait tour- ner la direction de B1 autour de celle de B0 à la fréquence naturelle de précession précédente : c’est un phénomène de résonance, d’où le nom RMN, similaire à l’excitation d’une ba- lançoire dont on sait bien qu’il faut la pousser en synchronisme avec son oscillation propre pour en augmenter l’amplitude. En pratique, on se limite le plus souvent à un champ B1 oscillant dans une direction fixe, équivalent à deux champs tournant dans des sens opposés et dont un seul conduit à la résonance. Ce champ excitateur est produit par un courant électrique circu- lant dans un bobinage appelé antenne d’émission et il permet de « manipuler » à volonté les moments magnétiques (spins) en faisant varier les durées d’application du champ ainsi que les intervalles entre deux applications successives suivant des « séquences » d’une telle variété qu’elles sont répertoriées dans de véritables dictionnaires avec chacune un acronyme dont l’inventivité n’a d’égale que celle de la séquence qu’il désigne. Les spins ainsi conditionnés sont alors abandonnés à leur mou- vement de précession dans le champ B0 , mouvement qui est mis en évidence et mesuré par la force électromotrice induite dans un bobinage appelé antenne de réception (souvent le même que l’antenne d’émission). Il est très important de comprendre que ce signal RMN révèle une information d’une richesse exceptionnelle. Tous les spins de l’échantillon ne sont pas soumis exactement au même champ magnétique car les électrons des atomes et molécules qui le constituent produisent des champs ma- gnétiques certes faibles mais qui s’ajoutant à B0 modifient légèrement la fréquence de résonance des noyaux qui les « voient ». Cette modification de la fréquence de résonance est appelée « déplacement chimique » car elle dépend de l’environnement électronique du noyau dans la molécule et donc du rôle de l’atome ou de l’ion correspondant dans la « chimie » de celle-ci. La largeur en fréquence de l’excitation B1 étant bien supérieure à ces déplacements chimiques, tous les spins, où qu’ils se trouvent, sont également excités mais ils vont avoir ensuite des mouvements de précession à leur propre fréquence « déplacée ». Il suffit donc d’analyser en fréquence la f.e.m. induite dans l’antenne de réception pour voir apparaître des « raies de résonance » dont la fréquence est la signature du champ vu par un sous ensemble de spins et dont l’intensité (en fait l’aire du pic ou de la raie) est pro- portionnelle au nombre de ces spins. Cette « spectroscopie RMN » est un outil incontournable pour la chimie et la bio- logie et il n’est pas étonnant que l’on trouve des « RMN » dans la plupart des laboratoires académiques et industriels, notamment dans l’industrie pétrolière. On parle ici non pas en teslas mais en mégahertz avec le facteur de conversion relatif au proton mentionné plus haut, même si l’on s’intéresse aussi à beaucoup d’autres noyaux. Si jusque dans les années 70, les aimants utilisés pour produire le champ principal étaient des électroaimants (bobines en cui- vre et circuit magnétique en fer) qui plafonnaient à 100 MHz (60 MHz était un standard), ils sont aujourd’hui tous supracon- ducteurs et l’on a atteint récemment le record de 1 GHz. Les spectromètres RMN utilisent de petits échantillons (typiquement en tubes de 5 mm de diamètre), et le diamè- tre libre des aimants est relativement petit (en général moins de 100 mm, 54 et 89 mm étant des standards). Ce diamètre utile beaucoup plus grand que le diamètre du tube contenant l’échantillon s’explique par les conditions drastiques d’unifor- mité du champ sur tout son volume. Pour l’obtenir, on insère des bobinages correcteurs appelés « shims » en souvenir des cales en fer que les pionniers de la RMN collaient sur les pièces polaires de leurs électroaimants pour en améliorer l’uniformité du champ. Ils sont dits « chauds » par opposition aux supraconducteurs car ils sont résistifs. L’ouverture libre de l’aimant doit aussi permettre d’installer un dispositif de rota- tion très rapide du tube échantillon autour de son axe incliné à l’angle « magique » par rapport à la direction de B0 , soit arcos 54.736° (angle de la grande diagonale d’un cube avec une arête adjacente), afin de réduire l’élargissement des raies dû aux interactions dipolaires. - IRM L’IRM fait appel à des aimants de beaucoup plus grande ouverture mais avant de les examiner plus en détail, il faut expliquer comment on peut produire des images avec de la RMN. Pour ce faire, on se donne les moyens de sélectionner une partie seulement de l’échantillon (ou du patient) qui va entrer en résonance pour une excitation à une fréquence fixée. Dès 1951, le Français Robert Gabillard montrait qu’en superposant au champ principal un champ magnétique ad- ditionnel présentant un gradient dans la direction de l’axe d’un tube contenant une solution de nitrate ferrique, on pouvait recueillir des informations par RMN sur une « tran- che  » du tube seulement. Mais la découverte décisive est faite par Paul C. Lauterbur en 1971 (publiée dans Nature, Vol. 242, pp. 190-191, 16 mars 1973, après que la revue en ait une première fois rejeté la publication !). Il propose d’introduire ce qu’il appelle un « second champ », superposé à B0 , présentant un gradient dans une direction choisie. Il propose en même temps d’appeler « zeugmatographie » la technique d’imagerie qui en résulte en expliquant que le mot REE N°6/2011 ◗ 69 Supraconducteurs et imagerie médicale grec « zeugma » désigne ce qui est utilisé pour joindre (un joug par exemple), ici deux champs. Cette appellation n’a pas fait florès, mais la méthode constitue un fondement essentiel de l’IRM. En appliquant un gradient de champ dans une direction, on sélectionne une tranche de l’échantillon qui va seule être excitée, tranche dont on déplace à volonté la position dans la direction du gradient en changeant la valeur de celui-ci ou la fréquence d’excitation. On conçoit alors qu’en appliquant successivement des gradients de champ dans trois directions (en général perpendiculaires suivant Oxyz) on puisse in fine remonter à la seule contribution produite par un élément de volume ou « voxel » défini par l’intersection des trois tranches sélectionnées successivement. La reconstruction de l’image esquissée par Lauterbur au moyen d’un algorithme très simple fait aujourd’hui appel à des transformations de Fourier rapides et à des moyens informatiques très puissants. L’intensité du signal provenant de chaque voxel fournit la densité volumique des spins résonnants qu’il contient mais la façon dont leurs mouvements de précession s’amortissent (temps de relaxation) peut aussi être déduite de l’évolution temporelle du signal. Les images reconstruites peuvent ainsi être pondérées (« colorées ») par une combinaison de ces diverses caractéristiques, ce qui permet notamment de dis- tinguer les tissus mous de la matière vivante (matière grise et matière blanche du cerveau par exemple). Dans les pays de l’OCDE, une moyenne de 41,3 examens IRM par 1 000 personnes ont été pratiqués en 2010 dont on estime que 25 % sont relatifs au cerveau et 26 % à la moelle épinière. Le catalogue des séquences d’IRM est encore plus ri- che que celui de la spectrométrie RMN car on peut en plus « jouer » avec les gradients. On peut même jouer au sens propre car les forces de Laplace que subissent les conduc- teurs des bobinages des gradients dans le champ principal génèrent un bruit acoustique que tous les patients ont en- tendu, avec plus ou moins d’inquiétude : les courants des séquences de gradients sont en effet des créneaux à temps de montée ou de descente très bref (inférieur à la millise- conde), ce qui provoque ce tac, tac, tac… caractéristique et quelques spécialistes ont imaginé connecter les amplifica- teurs des gradients à leur guitare pour leur faire produire de la vraie musique ! Les techniques d’imagerie brièvement décrites ci-des- sus peuvent être combinées à de la spectroscopie et sortir ainsi du cadre d’une imagerie purement anatomique pour aborder le métabolisme et des études dites plus largement fonctionnelles (IRMf). Il est ainsi possible de « voir » le cer- veau fonctionner en suivant la consommation d’oxygène des neurones actifs au moyen de séquences particulières dites BOLD (“blood oxygen level dependent”) qui révèlent les dif- férences de susceptibilité magnétique entre l’hémoglobine oxygénée ou non. Plus sophistiquée encore, l’imagerie dite du « tenseur de diffusion » (DTI) permet de suivre la diffu- sion du liquide cérébro-spinal et d’en déduire non seulement l’organisation des faisceaux d’axones mais aussi de suivre en quasi temps réel l’activité du cerveau. L’IRM est ainsi devenue l’un des outils privilégiés des neurosciences pour l’étude du fonctionnement du cerveau in vivo de manière totalement non invasive. L’aimant de la machine d’IRM L’aimant qui produit le champ principal B0 est un élé- ment essentiel de la machine autour duquel tout le reste est construit. La qualité des résultats obtenus dépend de quatre caractéristiques principales : • Accessibilité • Intensité du champ • Homogénéité spatiale • Stabilité temporelle La morphologie du corps humain est telle que l’examen par IRM de l’une quelconque de ses parties, exceptées les extrémités des membres, nécessite une ouverture d’aimant permettant le passage du corps entier, d’où l’appellation « aimant ou IRM corps entier ». Même l’examen du cerveau implique le passage des épaules car notre cou, à la diffé- rence de celui des girafes, n’est pas assez long pour que les conditions d’homogénéité du champ puissent être satisfaites par un aimant court d’ouverture plus faible. En dehors de machines dédiées à des examens partiels spécifiques qui ne représentent qu’un faible pourcentage du marché, les aimants d’IRM sont des « corps entiers » réalisés au moyen de bobinages coaxiaux d’un diamètre de l’ordre du mètre, sans aucun circuit magnétique en fer dont la masse serait à l’évidence prohibitive. Par ailleurs, le rapport signal sur bruit, la qualité des images et l’information accessible sont des fonctions croissantes de la fréquence de résonance et donc de l’intensité du champ magnétique principal. - Le défi de l’homogénéité Comme rappelé plus haut, l’obtention d’une image par RMN nécessite la superposition au champ magnétique prin- cipal de champs additionnels à variation spatiale contrôlée (gradients). Le codage de l’espace qui en résulte et la recons- truction d’image qu’il permet ne peuvent être réalisés avec précision que si le champ principal B0 est aussi parfaitement que possible uniforme (qualificatif préférable à « homogène » consacré par les spécialistes, mais la suite sera conforme à l’usage). La condition d’homogénéité est particulièrement sé- 70 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique vère puisqu’il faut que les déviations du champ par rapport à un champ rigoureusement uniforme soient typiquement inférieures à 1 ppm (partie par million) en valeur relative dans un volume sphéroïdal de 50 cm de « diamètre » et de 0.1 ppm sur le volume du cerveau pour l’IRMf de ce dernier. Produire un champ magnétique homogène n’est pas un pro- blème nouveau et l’on trouve déjà le principe des réponses dans le célèbre traité d’électricité et de magnétisme de Ja- mes Clerk Maxwell (1873). Il s’agissait alors de construire des galvanomètres (appelés aussi « boussoles des tangentes ») dans lesquels un petit aimant permanent est suspendu dans le champ magnétique créé par des bobinages où circule le courant à mesurer, ce champ devant être aussi homogène que possible dans le volume occupé par le petit aimant. Les articles 672 et 673 du traité donnent la solution idéale pour le “Field of Uniform Force” avec un bobinage sphérique à pas constant suivant un diamètre, puis à l’article 676 et suivants “A Cylindric Magnet or Solenoid” enfin à l’article 713 le “Hel- mholtz’s Arrangment” suivi de l’article 714 du galvanomètre à quatre bobines, deux grandes et deux petites pour se rap- procher de la solution sphérique idéale, irréaliste car elle ne permet aucun accès. Tous les étudiants qui débutent en magnétisme connais- sent les « bobines de Helmholtz » soit, dans sa version sim- plement filiforme, deux spires circulaires coaxiales de même rayon séparées par une distance égale à leur rayon et parcou- rues par le même courant. Un calcul élémentaire montre que pour obtenir une homogénéité de 1 ppm dans une sphère de 50 cm de diamètre avec deux spires de Helmholtz, il fau- drait qu’elles aient plus de 16 m de diamètre ! La solution implique donc une configuration plus complexe des bobina- ges avec un minimum de quatre bobines telles que celles de l’article 714 du traité de Maxwell, comme le montre la photo ci-après d’une machine d’IRM Bruker du début des années 80. La photo ci-après montre une machine d’IRM moderne pour petit animal (aimant supraconducteur 7T, blindage actif, cryocooler, cf. infra). Les bobinages des aimants des premières machines expé- rimentales des années 70 étaient en cuivre (soit « résistifs » par opposition à « supraconducteurs ») et refroidis à l’eau. Une simple analyse dimensionnelle montre que l’intensité du champ B0 produit est proportionnelle à la racine carrée du rapport de la puissance P dissipée par effet Joule au diamètre D de la région d’intérêt : où ρ est la résistivité électrique du conducteur utilisé (cuivre). Le facteur de qualité sans dimension Q ou facteur de Fabry dépend de considérations techniques relatives au bobinage (facteur de remplissage fonction des volumes respectifs du conducteur et des canaux de refroidissement) et de sa confi- guration, décroissant avec l’amélioration de l’homogénéité. Le champ des aimants résistifs pour IRM était ainsi limité, typiquement 0.15 T avec quelques tentatives pour atteindre 10 MHz, soit 0,235 T. - Le « triomphe » des supraconducteurs Si la supraconductivité a été découverte il y a cent ans, les premiers aimants supraconducteurs sont beaucoup plus récents. Le premier bobinage supraconducteur pour un élec- troaimant à fer aurait été construit par G. B. Yntema (Cornell University) en 1955 avec du niobium, mais il fallut attendre la découverte des supraconducteurs de type II en 1961 pour que les premières bobines supraconductrices compétitives apparaissent, d’abord en alliage de niobium et de zirconium, puis en alliage niobium titane (NbTi) qui représente la quasi- totalité du marché actuel. Les proceedings de la conférence internationale sur les champs magnétiques intenses qui s’est tenue du 1er au 4 novembre 1961 au MIT attestent de l’ef- fervescence qui en est résulté. Dès 1962, Martin Wood du Clarendon Laboratory à Oxford (UK), qui avait assisté à cette conférence, construisait le premier aimant supraconducteur en Europe et commençait la véritable épopée des aimants (CourtesyBrukerBioSpin) (CourtesyBrukerBioSpin) REE N°6/2011 ◗ 71 Supraconducteurs et imagerie médicale supraconducteurs à Oxford. La société Oxford Instruments qu’il avait créée en 1959 a livré en 1980 deux aimants su- praconducteurs 0.3 T corps entier à EMI Medical, installés au Hammersmith Hospital de Londres. La figure suivante montre une vue d’artiste d’un aimant su- praconducteur pour IRM dans son enceinte cryogénique (cryos- tat dont les différentes enceintes ne sont pas représentées) : Le principe d’une configuration magnétique à plusieurs bobines coaxiales est identique à celui des aimants résistifs mais à la fin des années 70, la réalisation de bobinages supra- conducteurs de telles dimensions avec la précision souhaitée et leur installation dans un cryostat contenant des centaines de litres d’hélium liquide avec des écrans intermédiaires refroidis à l’azote liquide, semblait au-delà des possibilités techniques. Ces difficultés ont été surmontées vers 1980 (notamment par Oxford Instruments comme indiqué ci-des- sus) mais la compétition était vive et Raymond Damadian prétend avoir construit le premier aimant supraconducteur corps entier pour IRM en 1980 avec deux de ses étudiants postdoctoraux au Downstate Medical Center de New York. Il baptisa l’ensemble de la machine d’IRM « indomitable » (in- domptable) dans le style provocateur qui a fait sa réputation : fondateur ensuite de la société Fonar, il se considère comme l’inventeur de l’IRM et il est à l’origine d’actions en justice à propos des brevets originaux ainsi que de la controverse sur l’attribution du prix Nobel 2003 de physiologie ou de médecine qu’il aurait dû, dit-il ainsi que ses supporters, au moins partager. Si les performances d’un aimant résistif s’évaluaient en termes de frais de fonctionnement (puissance électrique), celles d’un aimant supraconducteur relèvent plutôt de l’in- vestissement car il n’y a pas d’énergie dissipée, en dehors de celle nécessaire à la production des fluides cryogéniques. L’analyse dimensionnelle conduit alors à la relation suivante : où C est la capacité de transport du supraconducteur qui, schématiquement pour un bobinage homogène, est donnée par le produit du volume de conducteur par la densité volu- mique de courant transporté, soit C = j0 V. L’unité consacrée en est le kA.m (kilo ampère mètre) et il s’agit bien d’une don- née économique pour la comparaison des performances des supraconducteurs entre eux : on parle alors de //(kA.m). Comme j0 dépend de la température d’utilisation (géné- ralement 4.2 K température normale d’ébullition de l’hélium, mais on peut obtenir des températures de fonctionnement encore plus basses) et du champ magnétique « vu » par le supraconducteur, il faut préciser ces conditions mais le NbTi est de loin le matériau le plus compétitif pour l’IRM avec : 1 — 4 e/(k A.m), soit environ cinq fois mieux que du cuivre à température ambiante, pour un prix de 50 — 200 e/kg. Un autre avantage décisif des aimants supraconducteurs est la possibilité de les faire fonctionner en mode dit « persis- tant », c’est-à-dire court-circuités sur eux-mêmes, ce qui as- sure une stabilité temporelle du champ idéale pour l’IRM avec une dérive typiquement inférieure à 0.1 ppm /heure, soit une décroissance du champ inférieure à 1 % en 1 000 ans ! - Le parc installé Les données suivantes sont tirées d’un article présenté à la conférence ASC2010 par Thomas C. Cosmus et Michael Parish de Philips Medical Systems (“Advances in Whole-Bo- dy MRI Magnets”, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 21, pp. 2 104-2 109, June 2011). Environ 26 500 machines d’IRM sont installées dans le monde en 2008 (14 600 en 2002) pour un nombre estimé de 80 millions d’examens. Plus de 2 500 machines ont été produites en 2008 dont la répartition par intensité du champ est la suivante : 72 ◗ REE N°6/2011 Les supraconducteurs en electrotechnique HFO signifie (“high-field open”, c’est-à-dire un accès ouvert à la différence du tunnel cylindrique classique mais le champ n’est que de 1 T environ). Au-delà de 3 teslas, il ne s’agit enco- re que de machines de recherche (une cinquantaine environ à 7 T, avec une machine unique à 11.75 T, soit 500 MHz, en construction pour le centre NeuroSpin du CEA, cf. infra). Il y a environ 1 200 machines installées à bas champ ≤1 T dont la plupart des aimants ne sont pas supraconducteurs. Les acteurs industriels principaux du marché de l’IRM sont par ordre décroissant de parts de marché : Siemens, General Electric, Philips, Toshiba, Hitachi… - Le retour d’un banni Il s’agit tout simplement du fer. Les difficultés initiales à réaliser l’homogénéité du champ requise a conduit les concepteurs à bannir le fer et tout autre matériau ferromagnétique du voisinage de l’aimant. En effet, un aimant de la taille d’un aimant d’IRM produit un champ non négligeable à plusieurs mètres voire dizaine de mètres de son centre. Ce champ aimante les pièces en fer ou autre matériau susceptible d’être aimanté qui y sont plongées (fer- raillage du béton armé, mobilier métallique, ascenseurs, auto- mobiles, camions et autres OMNIs pour « objets magnétiques non identifiés » !). Ces pièces ainsi aimantées produisent un champ perturbant l’homogénéité du champ principal de fa- çon d’autant plus pernicieuse qu’elles sont mobiles. C’est la raison pour laquelle les premières machines furent installées dans des constructions dédiées dont le fer était strictement absent, même le béton était armé de fibre de verre. Ces précautions supprimaient bien les perturbations ex- térieures induites par l’aimant lui-même mais pas les pertur- bations géomagnétiques (fluctuation du champ magnétique terrestre, orages magnétiques) ou bien pire, celles des cou- rants de retour des motrices de traction électrique des ré- seaux de chemin de fer passant à proximité des installations d’IRM. Par ailleurs, les règlementations relatives au champ magnétique autorisé pour les travailleurs en général ou pour les porteurs de stimulateurs cardiaques en particulier (ladite « ligne des 5 gauss », soit 0.5 mT, à ne pas franchir) ont suscité un intérêt croissant. Il est alors apparu intéressant de réaliser un blindage passif de l’aimant en l’enfermant dans une boîte en fer qui, d’une part, le protège des influences extérieures et, d’autre part, réduit de façon drastique le champ résiduel à l’extérieur de la boîte. On peut ainsi avoir des dizaines de tonnes de fer très proches de l’aimant, et l’on sait aujourd’hui parfaitement maîtriser ses effets sur l’homogénéité. Retour encore plus remarquable du fer à l’intérieur même de l’aimant puisque les bobinages correcteurs d’homogé- néité sont maintenant remplacés par des plaquettes de fer judicieusement placées à l’intérieur du tunnel de l’aimant, généralement sur le cylindre intérieur du cryostat  : on les appelle toujours des shims mais il ne s’agit plus de l’abus de langage susmentionnés car ce sont de véritables cales, en fer. Quant au blindage passif, il se révèle vraiment trop encom- brant et il tend maintenant à disparaître au profit d’un blindage dit actif. Des bobines de plus grand diamètre parcourues par des courants en sens inverse des bobines principales sont calculées pour réduire beaucoup plus le champ extérieur que le champ dans le volume d’intérêt tout en conservant son homogénéité. Pour obtenir le même champ nominal, il faut bien entendu plus de supraconducteur mais c’est in fine plus commode et plus économique que le blindage passif. Le fer demeurera tout de même pour les shims… - Les progrès de la cryogénie La servitude principale des aimants supraconducteurs est la cryogénie nécessairement associée. L’enveloppe la plus interne du cryostat qui renferme les bobinages supraconduc- teurs est remplie de centaines de litre d’hélium liquide dont l’ébullition compense les pertes dues à l’isolation imparfaite avec l’environnement extérieur à température ambiante. Dans les premières machines, une enveloppe intermédiaire était refroidie par de l’azote liquide, aux fins de diminuer les pertes d’hélium. Celles-ci, appelées dans le jargon “boil off”, étaient de l’ordre de quelques dixièmes de litre d’hélium par heure et il fallait remplir à nouveau le cryostat à intervalles réguliers (3 à 4 mois pour l’hélium, beaucoup plus fréquem- ment – une à deux semaines – pour l’azote). Des pertes beaucoup plus importantes se produisent lors des opérations de charge ou de décharge du courant dans l’aimant à cause des amenées de courant mais, autre avantage du mode persistant, celles-ci sont retirées dès lors que l’aimant est court-circuité sur lui-même avec son courant nominal. De très gros progrès ont été réalisés par l’installation sur chaque aimant d’un réfrigérateur qui, d’une part, supprime l’usage de l’azote liquide et, d’autre part, re-condense les va- peurs d’hélium ce qui permet à la machine de fonctionner indéfiniment sans remplissage d’hélium, en consommant seulement l’énergie électrique de son réfrigérateur. La ma- chine est alors dite “zero boil off” (ZBO) et certains disent à tort ”cryogen free“ car il y a bien toujours un fluide cryogéni- que dans le cryostat. Perspectives L’industrie des aimants supraconducteurs pour l’IRM a atteint un niveau de maturité incontestable mais la R&D continue et l’augmentation de l’intensité du champ est une REE N°6/2011 ◗ 73 Supraconducteurs et imagerie médicale tendance forte. Elle est absolument essentielle au dévelop- pement de l’IRM fonctionnelle notamment du cerveau. C’est dans cette perspective que le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) a créé le centre de recherches NeuroSpin (« centre de neuro imagerie cérébra- le par IRM en champ intense ») dans lequel sera installée, en 2013, la machine d’IRM corps entier à plus haut champ jamais construite. Dans le cadre du projet Iseult/INUMAC mené conjointement avec Siemens, l’institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) du CEA Saclay a été chargé de la conception et de la fourniture de l’aimant actuellement en construction à Belfort (Alstom). Cet institut fait ainsi bénéficier les sciences du vivant de son savoir-faire en matière de grandes installations supraconductrices, dont les aimants pour les détecteurs du Cern (expériences Atlas et CMS notamment). Il renoue ainsi avec une première réalisa- tion en 1984 d’un aimant pour IRM de 530 mm d’ouverture et 2 T soit une ouverture réduite mais un champ intense pour l’époque. L’aimant Iseult de 900 mm d’ouverture à blindage actif présente des caractéristiques tout à fait inhabituelles pour l’IRM (11.75 T, 150 tonnes, 340 MJ d’énergie stockée, soit quelque vingt fois plus que pour un aimant 3 T standard). Le dessin ci-dessous donne une idée de ses dimensions (envi- ron 4.5 m de diamètre et 5 m de longueur) et de sa struc- ture (on remarquera en particulier l’une des deux grandes bobines assurant le blindage actif) ; il exploite les propriétés du NbTi à leurs limites extrêmes et présente des solutions in- novantes et brevetées (hélium superfluide pressurisé à 1.8 K, bobinage principal de 170 doubles galettes de configuration particulière pour assurer l’homogénéité, mode non persistant avec une technique originale de stabilisation…). Un tel niveau de champ pose des problèmes nouveaux pour les gradients dont les interactions avec l’aimant (vibra- tions, bruit acoustique, pertes cryogéniques) deviennent critiques mais conduiront certainement à l’émergence de solutions novatrices. Il en est de même pour les antennes car pendant une période d’oscillation à 500 MHz, une onde électromagnétique (la lumière) ne parcourt que 60 cm, ce qui n’est plus très grand par rapport aux dimensions du pa- tient, sans oublier les problèmes d’énergie dite « déposée » dans celui-ci. Une telle machine est pour l’instant réservée à la recher- che et les machines à 7 T « seulement » ne sont pas encore installées en usage clinique mais il ne fait aucun doute que l’on ira encore plus haut en champ. Les supraconducteurs seront toujours là mais il faudra utiliser du Nb3 Sn pour une partie de l’aimant et ce matériau est plus cher et surtout plus difficile à mettre en œuvre que le NbTi. C’est ce que l’on trouve déjà sur les machines d’IRM destinées à la recher- che sur de petits animaux (rongeurs). Outre un 3 T et un 7 T corps entier pour des recherches sur l’homme, le centre NeuroSpin dispose ainsi d’un aimant de 17.2 (732 MHz) et 260 mm d’ouverture (85 mm in fine pour l’animal) à blin- dage passif (230 tonnes de fer). Y a-t-il une place en IRM pour les « nouveaux » supracon- ducteurs à haute température critique ? Leur intérêt principal serait de pouvoir se passer d’hélium liquide et d’avoir des aimants véritablement “cryogen free”. Il y a actuellement beaucoup de R&D sur le sujet mais il est encore trop tôt pour en deviner l’issue. Professeur émérite à l’université Joseph Fourier de Grenoble dont il dirigea le département de physique dès 1968, Guy Aubert fut notamment directeur du service national des champs intenses de Grenoble (1980-1988), administrateur provisoire puis premier di- recteur de l’ENS de Lyon (1985-1994), directeur général du CNRS (1994-1997), conseiller d’État en service extraordinaire (1997- 2000), recteur d’académie, directeur général du CNED (2000- 2003). Conseiller scientifique au CEA, il fait partie de l’équipe projet qui construit actuellement l’aimant supraconducteur pour IRM corps entier du projet Iseult/INUMAC (cf. texte), aimant dont il a assuré la conception initiale. Il est titulaire d’une quarantaine de brevets pour la plupart relatifs aux sources de champ magnéti- que pour la RMN et l’IRM (aimants et gradients). Guy.Aubert@ext.univ-poitiers.fr l'auteur