La simulation numérique pour des examens IRM en toute sécurité

Échauffement RF : contexte physique et pertinence

En IRM (Imagerie par Résonance Magnétique), les noyaux d’hydrogène sont excités au moyen d’impulsions de radiofréquence dont la fréquence dépend de l’intensité du champ magnétique. Les systèmes cliniques courants fonctionnent à 64 MHz (1,5 Tesla) ou 128 MHz (3 Tesla). En raison des résolutions d’image plus élevées recherchées, des systèmes dits à ultra-haut champ (UHF) sont également de plus en plus développés. Cependant, ils sont aujourd’hui essentiellement utilisés dans la recherche. Les coûts d’acquisition et d’exploitation très élevés et d'importantes contraintes d’infrastructure, limitent leur utilisation en pratique clinique à quelques centres spécialisés.

Les implants conducteurs peuvent capter ces champs RF et se comporter comme des antennes. Selon leur longueur, leur géométrie et leur orientation, des intensités de champ électrique localement élevées peuvent apparaître, en particulier aux extrémités des implants. Ces phénomènes peuvent entraîner un échauffement significatif des tissus environnants et doivent donc être évalués avec attention.

Les essais standards et leurs limites dans la pratique

Aujourd’hui, l’évaluation de l’échauffement induit par les radiofréquences repose le plus souvent sur la norme ASTM F2182 (pour les implants passifs tels que les plaques orthopédiques ou les prothèses articulaires). Pour les implants actifs alimentés électriquement, comme les stimulateurs cardiaques, la norme ISO/TS 10974 s’applique également. L’implant est testé dans un mannequin reproduisant les tissus biologiques et la température mesurée à des points définis pendant une durée donnée, par exemple 360 secondes.

Bein que cette méthode soit largement établie elle ne reflète que partiellement les conditions réelles. Les mesures sont effectuées en des points déterminés, supposant que les tissus sont homogènes, et les effets physiologiques tels que la perfusion ne sont pas pris en compte. De plus, les systèmes IRM et les laboratoires d’essais spécialisés sont souvent sollicités, ce qui rallonge les processus de développement et d’homologation. Dans le pire des cas, les essais ne peuvent pas être réalisés et les fabricants d’implants sont contraints de classer un implant potentiellement sûr comme « MR-unsafe », privant ainsi inutilement les patients d’un accès à un examen essentiel.

Recherche menée à l’OTH Amberg-Weiden avec la simulation comme approche complémentaire

À l’OTH Amberg-Weiden, des recherches sont menées afin de déterminer comment les simulations électromagnétiques et thermiques peuvent compléter efficacement ces essais.

Bobine Birdcage pour l’excitation par radiofréquence avec un "mannequin" selon ASTM F2182 et barre d’étalonnage dans Ansys HFSS. | © Joshua Igl, OTH Amberg-Weiden

Les études reproduisent numériquement des configurations d’essai standard. Pour cela, des systèmes de bobines adaptés, appelés bobines Birdcage, sont développés dans Ansys HFSS et réglé sur la fréquence opérationnelle correspondante. Les objets à analyser sont ensuite placés dans la bobine, intégrés dans un modèle équivalent aux tissus biologiques, puis analysés en termes de distribution des champs électriques. Les pertes de puissance obtenues peuvent ensuite être transférées vers Ansys Icepak afin de déterminer les variations de température qui en résultent. Pour cela, des simulations transitoires sont réalisées.

Outre les mannequins mentionnés, qui reproduisant les propriétés d’un tissu musculaire homogène de manière non spécifique à l’anatomie (récipient rectangulaire en plexiglas), des modèles de corps humain peuvent également être utilisés dans la simulation. La modélisation détaillée des propriétés des tissus environnants ainsi que leur géométrie anatomiquement précise permettent une représentation plus réaliste des variations de température.

Avantages pour les fabricants, les autorités de réglementation et les patients

Contrairement aux essais expérimentaux, qui ne couvrent qu’un nombre limité de points de mesure discrets, la simulation offre une analyse complète de l’ensemble du volume étudié. Même si les essais purement numériques ne sont pas encore prévus par les normes actuelles, ils permettent déjà d’identifier de manière anticipée et systématique les scénarios les plus défavorables. La configuration expérimentale peut ainsi être adaptée et accélérée. Cela permet aux fabricants de simplifier leurs procédures d’homologation et, à terme, d’offrir à davantage de patients l’accès à un examen diagnostique essentiel.

Une simulation thermique transitoire met en évidence le point chaud induit par les radiofréquences à l’extrémité d’un implant orthopédique de hanche dans un modèle corporel homogène. | © Joshua Igl, OTH Amberg-Weiden

Grâce à la poursuite des recherches sur des modèles plus détaillés, ces essais devraient devenir moins conservateurs à l’avenir. De nouvelles stratégies de mitigation pourront être développées et permettront à un nombre encore plus important de patients d’accéder à un diagnostic IRM sûr. La nouvelle génération de systèmes UHF entraîne une augmentation constante des besoins de validation et soulève de nouveaux défis, notamment en raison de longueurs d’onde nettement plus courtes. Dans ce contexte, la simulation joue un rôle essentiel. Il est donc particulièrement important de continuer à améliorer l’efficacité des processus d’essai. À terme, des procédures d’évaluation entièrement basées sur la simulation pourraient même être intégrées aux normes afin de réduire les efforts nécessaires aux essais.