Le champ magnétique et son application en médecine

I) L’Imagerie par Résonance Magnétique nucléaire (IRM) : 1) Principe de l’IRM : Le principe de l’IRM repose sur les propriétés magnétiques de la matière : certains noyaux d’atomes, comme par exemple les noyaux d’atomes d’hydrogène, très abondants dans le corps humain, peuvent se comporter comme de tous petits aimants. Ce phénomène peut être utilisé en IRM pour créer des plans de coupes de l’organisme d’un patient dans les 3 directions de l’espace. 2) Déroulement d’un examen : Le patient est d’abord placé dans un champ magnétique intense (en général d’intensité comprise entre 0,2 et 1,5 Tesla) : les noyaux d’atomes d’hydrogène du patient s’alignent dans ce champ magnétique. On envoie ensuite sur le patient une onde radio pour stimuler les noyaux et les écarter de leur position d’équilibre. Lorsque la stimulation s’arrête, les noyaux reviennent dans leur état d’équilibre en émettant une onde électromagnétique, qui est captée par un capteur et traduite en image par un ordinateur.

L’appareil d’IRM :

3) Utilisations de l’IRM : L’IRM permet d’observer de nombreux organes (cerveau, colonne vertébrale, articulations, cœur, tissus mous, …), de rechercher des anomalies, de diagnostiquer des tumeurs et leurs caractéristiques (taille, nature bénigne ou non, position dans l’espace). 4) Intérêts de l’IRM : Les images obtenues sont très précises et d’une grande qualité (résolution de l’ordre du millimètre) :

5) Contre-indications : Les IRM sont interdites aux patients porteurs de : Prothèses métalliques, Couronnes dentaires, Agrafes, Stimulateur ou valve cardiaque. Ces dispositifs pourraient être endommagés ou déplacés. Il faut proscrire la présence de tout objet ferromagnétique durant l’examen. But du chapitre : Comprendre ce qu’est un champ magnétique et comment produire les champs magnétiques intenses utilisés en IRM.

II) Qu’est-ce qu’un champ magnétique ? 1) Une propriété des aimants : Les aimants sont des objets ayant la propriété d’attirer les objets constitués de fer ou certains autres métaux (nickel, …). De même, lorsqu’on approche un aimant de l’aiguille d’une boussole, celle-ci prend une direction bien particulière. 2) Définition du champ magnétique : Un champ magnétique est une région de l’espace dans laquelle s’exercent des forces d’origine magnétique sur certains objets, comme ceux en fer ou en nickel.

3) Exemples de champs magnétiques : Lorsqu’on approche un aimant de l’aiguille d’une boussole, celle-ci prend une direction bien particulière car elle subit des forces d’origine magnétique. Un aimant est donc un objet capable de créer un champ magnétique dans son entourage. De même, sur Terre, l’aiguille d’une boussole est toujours orientée de la même façon : elle indique toujours le nord géographique. La Terre est donc également une source de champ magnétique.

4) Mesure de l’intensité d’un champ magnétique : La valeur (ou intensité) d’un champ magnétique se mesure à l’aide d’un appareil appelé teslamètre. L’unité du champ magnétique est le tesla (T). Le tesla est une unité très grande : un champ magnétique de valeur 1 tesla est intense. Quelques ordres de grandeur : Champ magnétique terrestre : 5.10-5 T (soit 50 μT) Au voisinage d’un aimant : 0,01 à 0,1 T

III) Champ magnétique créé par un aimant : 1) Les deux pôles d’un aimant : Lorsque l’une des extrémités d’un aimant droit est approchée d’une aiguille aimantée, celle-ci s’oriente dans une direction et un sens précis. Lorsqu’on approche l’autre extrémité, l’aiguille s’oriente dans la même direction, mais dans l’autre sens. Conclusion : Les deux extrémités d’un aimant sont différentes : l’une est appelée le pôle nord et l’autre le pôle sud. 2) Interaction entre deux aimants : S N S N Lorsqu’on approche deux aimants : Deux pôles de même nom se repoussent. Deux pôles de noms différents s’attirent. S N N S N S S N

3) Représentation du champ magnétique : Lorsqu’on approche une aiguille en fer d’un aimant, on a vu qu’elle s’orientait dans une direction et un sens précis. Le champ magnétique peut donc être représenté par un vecteur champ magnétique , dont : La direction est celle de l’aiguille Le sens est du pôle sud vers le pôle nord de l’aiguille La longueur est proportionnelle à la valeur en tesla x x' M  S N B 4) Lignes de champ magnétique : En déplaçant une aiguille en fer au voisinage d’un aimant, on se rend compte que sa direction et son sens varie. Grâce à cette aiguille, on peut connaître la direction et le sens du champ magnétique en tout point. On peut également utiliser de la limaille de fer (poudre de fer très fine) : on réalise alors le spectre magnétique de l’aimant.

En saupoudrant de la limaille de fer autour d’un aimant droit, on voit apparaître des lignes de champ magnétique : Le vecteur champ magnétique est toujours tangent aux lignes de champ. Le sens des lignes de champ (et donc du vecteur champ magnétique) va toujours du pôle nord de l’aimant vers le pôle sud. Avec un aimant en U :

III) Champ magnétique créé par un solénoïde : Un solénoïde est une très longue bobine de fil électrique. 1) Mise en évidence : Lorsqu’on fait circuler un courant électrique dans un solénoïde, il se comporte comme un aimant droit : en effet, en approchant une aiguille en fer, celle-ci s’orient dans une direction et un sens précis, comme avec les aimants : + _ G I x' x S N

2) Les deux faces d’un solénoïde : Comme pour les aimants, le nord repousse le nord, le sud repousse le sud et le nord et le sud s’attirent. Dans la situation précédente, on peut donc définir deux faces pour le solénoïde : la face nord et la face sud. + _ G I x' x S N Face nord Face sud Si on inverse le sens de circulation du courant dans le solénoïde, on s’aperçoit que les faces s’inversent. La position des faces d’un solénoïde dépend du sens de circulation du courant. Pour identifier les faces d’un solénoïdes, il faut les regarder de face. Le sens du courant nous aide alors de cette façon :

3) Champ magnétique créé par un solénoïde : Spectre magnétique d’un solénoïde : A l’intérieur du solénoïde, le champ magnétique a les caractéristiques suivantes : Direction : celle du solénoïde Sens : du pôle sud vers le pôle nord Valeur : constante en tout point à l’intérieur du solénoïde Astuce pour trouver le sens du champ magnétique connaissant le sens du courant :