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T1, T2, and complex permittivities of hydrogels, paramagnetic salt solutions, and oils at 0.35, 1.5, and 3 Tesla

Cette étude caractérise les permittivités T1, T2 et complexes de divers hydrogels, solutions de sels paramagnétiques et huiles à 0,35, 1,5 et 3 Teslas afin d'identifier les matériaux optimaux pour la construction de fantômes d'IRM présentant des propriétés diélectriques et de relaxivité spécifiques.

Auteurs originaux : H Michael Gach, Kerri Prinos, Hannah Sechaga

Publié 2026-08-12

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : H Michael Gach, Kerri Prinos, Hannah Sechaga

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Imaginez que vous êtes un chef essayant de cuisiner le gâteau parfait, mais au lieu de la farine et du sucre, vos ingrédients sont des ondes d'énergie invisibles et des champs magnétiques. C'est le monde de l'IRM (Imagerie par Résonance Magnétique), un superpouvoir médical qui permet aux médecins de voir à l'intérieur du corps humain sans faire une seule incision. Mais pour s'assurer que la machine d'IRM fonctionne correctement, les scientifiques ont besoin de « gâteaux de test » appelés fantômes. Ce ne sont pas des gâteaux à manger ; ce sont des bocaux de liquides et de gels spéciaux qui imitent la façon dont les tissus humains réagissent à l'attraction magnétique de la machine.

Pour comprendre comment ces gâteaux de test fonctionnent, vous devez connaître deux choses principales concernant les ingrédients. Premièrement, il y a le temps de relaxation. Voyez cela comme un trampoline. Lorsqu'un aimant pousse un proton (une minuscule particule d'eau) sur le trampoline, celui-ci rebondit. Le temps de relaxation est le temps qu'il faut à ce proton pour arrêter de rebondir et se stabiliser. Différents tissus rebondissent pendant des durées différentes, et c'est ainsi que l'IRM crée une image. Deuxièmement, il y a la permittivité et la conductivité. Imaginez que la machine d'IRM est une station de radio diffusant un signal. Certains matériaux, comme l'eau, sont comme une éponge qui absorbe le signal et en change la forme (permittivité), tandis que d'autres, comme l'eau salée, agissent comme un fil qui laisse l'électricité circuler facilement (conductivité). Si le gâteau de test ne correspond pas aux capacités de « rebond » et de « absorption de signal » du corps réel, l'image de l'IRM pourrait être floue ou erronée. C'est pourquoi les scientifiques sont toujours à la recherche de la recette parfaite.

Dans cette étude, une équipe de chercheurs s'est lancée dans le test d'un immense buffet d'ingrédients potentiels pour fantômes afin de voir lesquels font les meilleurs « gâteaux de test » pour des machines d'IRM de différentes tailles. Ils ont examiné trois groupes principaux d'ingrédients : les hydrogels (des gels gluants remplis d'eau comme la gélatine), les solutions de sels paramagnétiques (de l'eau mélangée à des métaux spéciaux comme le cuivre ou le manganèse qui agissent comme de minuscules aimants), et les huiles (comme celles que vous utilisez pour cuisiner). Ils ont testé ces mélanges dans trois « cuisines » différentes : une petite machine d'IRM à 0,35 Tesla, une machine d'hôpital standard à 1,5 Tesla, et une puissante machine à 3 Tesla. Ils ont même essayé de deviner comment ces ingrédients se comporteraient dans une machine de 7 Tesla ultra-puissante ou une petite machine de 0,55 Tesla.

Les chercheurs ont découvert que toutes les recettes ne se valent pas. Certains ingrédients, comme l'alginate de sodium, l'agar Miller's LB (un mélange riche en nutriments généralement utilisé pour cultiver des bactéries) et la gomme xanthane, se sont révélés être d'excellents candidats. Ils ont créé des gels stables qui se comportent de manière constante, ce qui en fait de bons outils pour construire des gâteaux de test fiables. Cependant, d'autres ingrédients ont été un véritable désastre. Les hydrogels de polyacrylate de sodium, de PVP et de PEG étaient « difficiles », ce qui signifie qu'ils étaient durs à mélanger uniformément et entraînaient souvent des résultats irréguliers et grumeleux qui pourraient confondre la machine d'IRM.

En ce qui concerne les solutions salines, l'équipe a découvert un rebondissement surprenant. Une règle empirique courante en physique de l'IRM est qu'à mesure que vous augmentez la puissance magnétique (l'intensité du champ), le temps de « rebond » (T1) s'allonge généralement. Mais les chercheurs ont découvert que pour certains de leurs échantillons, cette règle ne s'appliquait pas. Par exemple, la solution de Mn(NO3)2 (nitrate de manganèse) avait la plus grande « bounciness » (relaxivité) de tous les sels testés, ce qui en fait un ingrédient très puissant, mais elle a aussi montré que la relation entre la force magnétique et le temps de rebond n'est pas toujours une ligne droite. Ils ont également noté que bien que le CuSO4 (sulfate de cuivre) et le NiCl2 (chlorure de nickel) fonctionnent bien, ils viennent avec une étiquette d'avertissement : ils peuvent être toxiques ou corrosifs, donc leur manipulation nécessite de la prudence.

Pour les huiles, les résultats sont une victoire claire pour les machines de haute puissance. L'équipe a testé les huiles de canola, de ricin et de pépins de raisin et a constaté qu'elles étaient parfaites pour l'IRM à haut champ (comme les machines de 3 Tesla et 7 Tesla). Pourquoi ? Parce qu'elles ont une très faible capacité d'« absorption de signal » (faible constante diélectrique) et une faible conductivité électrique. Dans le monde de l'IRM de haute puissance, c'est un superpouvoir car cela empêche le signal d'être déformé, un peu comme une fenêtre claire qui laisse passer la lumière sans la tordre.

L'étude a également mesuré précisément comment ces ingrédients changeaient à mesure que leur concentration augmentait. Par exemple, ajouter plus de sel à l'eau augmente généralement sa conductivité électrique, mais ajouter plus de PEG ou de PVP ne change pas beaucoup la conductivité. Ils ont aussi mesuré comment les temps de « rebond » changeaient avec la concentration, trouvant que pour certains gels, la relation n'était pas aussi prévisible qu'ils l'espéraient.

En fin de compte, l'article ne déclare pas un seul ingrédient « parfait » pour chaque situation. Au lieu de cela, il propose un menu détaillé d'options. Si vous avez besoin d'un fantôme à faible constante diélectrique pour une machine de haute puissance, tournez-vous vers les huiles. Si vous avez besoin d'un gel qui imite les tissus mous, l'alginate de sodium ou l'agar Miller's LB sont vos meilleures options. Mais si vous essayez d'utiliser du PEG ou du PVP, préparez-vous à une expérience cahoteuse. Les chercheurs ont également souligné que si les polymères synthétiques sont excellents car ils ne pourrissent pas, les solutions salines sont géniales car elles empêchent la croissance des bactéries, bien qu'elles apportent leurs propres risques de toxicité. En cartographiant exactement comment ces matériaux se comportent à différentes intensités magnétiques, l'étude donne aux futurs scientifiques les outils pour cuisiner de meilleurs et plus précis gâteaux de test, garantissant que les machines d'IRM dans les hôpitaux partout dans le monde nous donnent la vue la plus claire possible du corps humain.

Résumé technique : T1, T2 et permittivités complexes des hydrogels, des solutions de sels paramagnétiques et des huiles à 0,35, 1,5 et 3 Tesla

Énoncé du problème
L'assurance qualité (AQ) en imagerie par résonance magnétique (IRM) repose largement sur des fantômes pour valider les performances des systèmes. Bien que des fantômes commerciaux existent, ils sont souvent trop coûteux pour les installations disposant de financements limités, ce qui nécessite l'utilisation d'alternatives fabriquées maison. La conception de fantômes efficaces exige une connaissance précise des temps de relaxation des matériaux ( $T_1$ , $T_2$ ) et des permittivités complexes (force diélectrique et conductivité électrique) aux fréquences de Larmor cliniques. Cependant, la littérature existante est souvent antérieure à l'adoption généralisée des systèmes cliniques à 1,5 T et 3 T, ou manque de données pour les intensités de champ émergentes telles que 0,35 T (utilisé pour la radiothérapie guidée par IRM) et 7 T (haut champ). De plus, les hypothèses concernant le comportement des temps de relaxation avec l'augmentation de l'intensité du champ (par exemple, que le $T_1$ augmente toujours) peuvent ne pas être vérifiées pour tous les constituants des fantômes. Cette étude comble l'écart laissé par le manque de données exhaustives sur plusieurs intensités de champ pour les matériaux de fantômes courants.

Méthodologie
Les auteurs ont mesuré le $T_1$ , le $T_2$ et les permittivités complexes pour trois catégories de matériaux : les hydrogels, les électrolytes paramagnétiques et les huiles. Les mesures ont été effectuées à 21 °C sur trois intensités de champ magnétique : 0,35 T (ViewRay MRIdian), 1,5 T (Philips Ingenia) et 3 T (Siemens mMR).

Mesures de relaxation : Le $T_1$ a été déterminé à l'aide d'une séquence d'imagerie écho-planaire (EPI) par inversion-récupération (IR) avec des temps d'inversion variables. Le $T_2$ a été mesuré à l'aide d'une séquence d'échos multiples de type Carr–Purcell–Meiboom–Gill (CPMG). Les données ont été ajustées à des modèles non linéaires à trois paramètres pour extraire les taux de relaxation ( $R_1$ , $R_2$ ) et les relaxivités ( $r_1$ , $r_2$ ).
Mesures de permittivité : La permittivité complexe a été mesurée à l'aide d'une sonde diélectrique coaxiale connectée à un analyseur d'impédance (14 MHz à 1 GHz). Les constantes diélectriques statiques ( $\varepsilon_s$ ) et les conductivités électriques statiques ( $\sigma_s$ ) ont été dérivées en ajustant les données au modèle de relaxation de Cole-Cole. La conductivité CC a également été mesurée indépendamment.
Matériaux testés :
- Hydrogels : Gélose LB de Miller, gélatine, polyéthylène glycol (PEG), alcool polyvinylique (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), alginate de sodium, polyacrylate de sodium et gomme xanthane.
- Électrolytes paramagnétiques : Solutions aqueuses de sulfate de cuivre ( $CuSO_4$ ), chlorure de nickel ( $NiCl_2$ ) et nitrate de manganèse ( $Mn(NO_3)_2$ ).
- Huiles : Huiles de canola, de ricin et de pépins de raisin.
Traitement des données : Les valeurs de $T_1$ ont été interpolées pour 0,55 T et extrapolées pour 7 T à l'aide d'un modèle de loi de puissance ( $T_1(B_0) = A \cdot B_0^C$ ). Des ajustements linéaires ont été générés pour les relaxivités et les permittivités en fonction de la concentration.

Résultats clés
L'étude a généré des ensembles de données étendus (Tableaux 3–15) détaillant les temps de relaxation, les relaxivités et les permittivités à travers diverses concentrations et intensités de champ.

Dépendance à l'intensité du champ : Contrairement à l'hypothèse générale selon laquelle le $T_1$ augmente avec l'intensité du champ, l'étude a observé que le $T_1$ pour le $NiCl_2$ n'augmentait pas avec l'augmentation de l'intensité du champ. De plus, le $T_2$ a diminué avec l'augmentation de l'intensité du champ pour le PEG, le PVA, le polyacrylate de sodium et le $Mn(NO_3)_2$ , alors qu'il augmentait pour le $CuSO_4$ .
Relaxivités :
- La relaxivité $T_1$ ( $r_1$ ) est restée constante pour le PEG et le PVP mais a augmenté pour le $NiCl_2$ .
- La relaxivité $T_2$ ( $r_2$ ) est généralement restée constante ou a augmenté avec l'intensité du champ, mais a chuté pour le $CuSO_4$ .
- Le $Mn(NO_3)_2$ a présenté les relaxivités les plus élevées parmi tous les échantillons paramagnétiques testés.
Performance des hydrogels :
- Matériaux difficiles : Les hydrogels de polyacrylate de sodium, de PVP et de PEG se sont révélés difficiles à préparer de manière homogène, entraînant une grande variance dans les taux de relaxation. Les conductivités du PEG et du PVP n'ont pas augmenté avec la concentration.
- Candidats viables : L'alginate de sodium, la gélose LB de Miller et la gomme xanthane ont démontré de bonnes propriétés pour la génération de fantômes, bien qu'ils soient sensibles à la croissance biologique.
- Propriétés diélectriques : La plupart des hydrogels et des solutions paramagnétiques ont maintenu des constantes diélectriques statiques élevées ( $\varepsilon_s \approx 70$ ), similaires à celles de l'eau. Le PVP était une exception, capable de réduire $\varepsilon_s$ en dessous de 40.
Huiles : Les trois huiles testées (canola, ricin, pépins de raisin) ont présenté de faibles constantes diélectriques statiques ( $\varepsilon_s < 10$ ) et de faibles conductivités, ce qui les rend appropriées pour les applications à haut champ où les artefacts diélectriques sont une préoccupation.
Conductivité : Les conductivités électriques statiques ont généralement augmenté avec la concentration pour la gélose LB de Miller, la gélatine, le PVA, l'alginate de sodium, le polyacrylate de sodium, la gomme xanthane et les sels paramagnétiques.

Signification et affirmations
Les auteurs présentent ce travail comme une ressource unique couvrant les variations de matériaux de fantômes par rapport à la fois à la concentration et à l'intensité du champ (0,35 T à 7 T). L'étude remet en question les hypothèses établies, notant spécifiquement que le $T_1$ n'augmente pas universellement avec l'intensité du champ et que le comportement de la relaxivité dépend du matériau.

L'article conclut par des recommandations pratiques pour la construction de fantômes :

Sélection de matériaux : L'alginate de sodium, la gélose LB de Miller et la gomme xanthane sont recommandés pour les fantômes à base d'hydrogel, tandis que les huiles sont recommandées pour les applications à faible diélectrique et haut champ.
Sécurité et stabilité : Bien que les électrolytes paramagnétiques offrent des relaxivités élevées et des propriétés antimicrobiennes, les auteurs mettent en garde contre leur toxicité (neurotoxicité du $Mn^{2+}$ , cancérogénicité du $Cu^{2+}$ et du $Ni^{2+}$ ) et leur caractère corrosif. Les polymères synthétiques sont préférables aux organiques pour la longévité, bien que les hydrogels aient généralement des durées de vie plus courtes (< 3 mois) que les huiles ou les électrolytes.
Limites : L'étude est limitée aux matériaux à composant unique (huiles) ou duplex (eau + gel/électrolyte). Les auteurs notent que l'hétérogénéité de certains hydrogels reste un défi pour générer des fantômes cohérents.

Dans l'ensemble, l'article fournit un ensemble de données fondamental pour les chercheurs concevant des fantômes d'IRM pour l'assurance qualité à travers un large spectre d'intensités de champ cliniques et de recherche.

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