Brevet FR2530816A1 — publié le 19840127

La présente invention concerne un nouveau système d'antennes radiofréquence tout particulièrement adapté à l'obtention, dans des meilleures conditions que précédemment, des images de l'intérieur d'échantillons biologiques : tissus ou organes in vitro jusqutau corps humain in vivo. Le principe de l'imagerie par résonance magnétique nucléaire ou tomographie par RMN est basé sur leexcitation des noyaux particuliers d'un objet en présence de gradients de champ magnétique superposés à un champ statique homogène Bo. L'énergie d'excitation est fournie par un champ magnétique radiofréquenge t1, perpendiculaire à BoS émis par l'antenne radiofréquence dite aussi bobine de RMNo Les gradients de champ ont pour but de coder l'échantillon en attribuant une fréquence de résonance propre à chaque endroit de l'espace de mesure. les images obtenues illustrent la distribution bidimensionnelle, dans la tranche choisie, des parametres physiques caractérisant les noyaux de l'espèce considérée (le plus souvent l'hydrogene). Ainsi la densité p des noyaux, leurs temps de relaxation spinwréseau T1 et spinspin T2 fournissent non seulement des informations anatomiques très com- parables à celles que donne la tomographie par rayons X, mais aussi permettent de distinguer avec une plus grande sensibilité les tissus sains des tissus malades. Les méthodes de la tomographie par RMN sont maintenant très connues: elles sont par exemple décrites par J. CRAMBRON et Col1. dans le Journal de Biophysique et de Médecine Nucléaire (1981), 5, 2 : 89-106 Dans tout l'art antérieur, en mesure directe par balayage ponctuel ou linéaire, ou en mesure intégrale par projections (analogue a la tomographie x), la définition de la tranche de coupe se fait en agissant sur les composantes variables du champ Bo - les gradients de champ. A la modulation sinusoidale des gradients de champ et/ou leurs commutations rapides est, dans quelques cas, associée la modulation adéquate du champ magnétique radiofréquence B1. La solution du problème posé par la réalisation des gradients de champ alternatifs et/ou rapidement commutables, est extremement difficile, coûteuse et valable seulement pour les configurations utilisant des aimants sans circuit magnétique. La présente invention réalise la définition de la tranche de coupe en confinant le champ magnétique radiofréquence B1 à l'intérieur de celleci. Ainsi le problème des gradients de champ est évité et l'utilisation des aimants à circuit magnétique devient possible. L'utilisation des aimants à circuit magnétique dans des petits systèmes d'imagerie permet d'atteindre des hautes intensités, à un prix modéré, pour le champ statique Bo et d'étudier dans des meilleures conditions de sensibilité d'autres noyaux moins abondants que l'hydrogene phosphore, carbone, sodium. Selon l'invention, un système imagerie par résonance magnétique nucléaire comportant un premier ensemble de bobines dit électro-aimant, produisant un champ magnétique statique Bo homogène dans lequel est placé le corps étudié, et un deuxième ensemble de bobines (antennes) dites de RMN fournissant un champ magnétique radiofréquence B1 perpendiculaire au champ Bos est caractérisé en ce que - le premier ensemble comporte deux groupes de bobines, avec ou sans circuit magnétique, suffisement écartés pour permettre l'accès transversal du système d'antennes rauiofréquence qui entoure le corps, - le deuxieuie ensemble de bobines constituant le système d'antennes radiofréquence comporte au moins trois bobines disposées autour de la partie du corps à examiner, la bobine centrale définissant la position du plan de coupe et les bobines adjacentes l'épaisseur de la tranche à visualiser. D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressor tiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif. La figure I présente de façon simplifiée l'électro-aimant (1) et un système minimal d'antennes radiofréquence (2) et (3) en coupe axiale longitudinale. L'électro-aimant (1) est symboliquement représenté comme étant de type résistif et formé par une paire de bobines solenoidales il produit le champ Bo schématisé par la flèche (6) le long de l'axe (4). Pour obtenir un champ magnétique Bo homogène sur un plus grand volume plusieurs paires de bobines doivent être utilisées ; pour des champs Bo plus intenses mais sur des petits volumes, les bobines peuvent etre placées-sur un circuit magnétique dont l'entrefer permet l'accès à l'espace de mesure. Les trois bobines de RNN (2) et (3) figurent en tant que spires uniques de rayon a. La bobine de RMS centrale (2) définit le plan de coupe perpendiculaire sur l'axe (5) du système d'antennes radiofréquence. Les bobines de RNN latérales (3), identiques, sont alimentées de façon à ce que le champ radiofréquence produit soit en opposition de phase avec celui produit par la bobine (2). La superposition des champs radiofréquence produits par le système d'antennes (2) et (3) a pour résultat le champ Bl confiné au voisinage du plan due coupe, à l'intérieur de la bobinede RMN centrale (2). Ainsi l'amplitude du champ magnétique radiofréquence Bi prend la valeur désirée à l'intérieur d'un volume lenticulaire de révolution dont la dimension axiale est contrôlée par la distance xl entre les bobines (2) et (3) et le rapport des courants d'excitation des mêmes bobines (le nombre d'ampères - spires si les bobines ne sont pas des spires uniques). Pour un rapport donné des courants d'excitation des bobines (2) et (3) il existe une valeur optimale pour x1 assurant la décroissance la plus rapide de l'amplitude du champ B1 hors de la tranche de coupe. On peut montrer que tant que les dimensions caractéristiques du système d'antennes radiofréquence restent négligeabiespar rapport à la longueur d'onde émise, la variation de l'amplitude du champ magnétique radiofréquence Bi suivant l'axe x (5) est de la forme où Blo est l'amplitude du champ magnétique radiofréquence produit par la bobine (2) dans son centre et k le rapport des amplitudes du courant dans la spire latérale au courant dans la spire centrale. La figure 2 illustre la composition (A) des champs produit par la bobine centrale (B) et les bobines latérales (C) dans l'axe du système d'antennes radiofréquence. La courbe (D) est une courbe de référence : elle montre la variation de l'amplitude du champ magnétique radiofréquence suivant l'axe x produit par une unique spire centrale ayant le même champ au centre du système que l'ensemble des bobines de RiN (2) et (3). On voit bien l'ef- fet de confinement du champ magnétique radiofréquence grâce au systeme d'antennes par rapport; à la spire unique mais aussi la nécessité de dépenser plus de puissance pour atteindre ce but. On peut aussi démontrer théoriquement etvérifier expérimentalement que l'effet de confinement Vers le plan de coupe du champ magnétique radiofréquence B1 n'a pas lieu seulement sur l'axe x (5) mais dans tout le volume intérieur du système d'antennes. Au prix d'une dépense supplémentaire de puissance radiofréquence, l'effet de confinement peut être augmenté au moins dans le volume contenant le corps étudié, par l'adjonction de paires de bobines latérales et en diminuant la distance xi entre les bobines. I1 est possible d'améliorer aussi la distribution radiale du champ radiofréquence B1 dans le plan de la coupe en scindant la bobine de RMN centrale en deux spires écartées de xO de part et d'autre de ce plan.L'expression du champ B1 pour N paires de spires, de rayon an et encadrant à + xn le plan de coupe, prend la forme générale suivante ou Le coefficient (- l)n est essentiel pour caractériser la présente invention ; il indique que les champs magnétiques radiofréquence générés par deux bobines quelconques adjacentes situées d'un même côté du plan de coupe sont en opposition de phase. Pour N = 2, xO = o, aO = al 5 a et ko - I on retrouve la meme confi- guration du système minimal décrit précédemment et représentée dans la figure l. Le système général est raisonnablement simplifié en prenant a0 = a1 = .... = aN-l = a et Xn = nxl. Dans ce cas la détermination des coefficients k11 se fait en essayant d'approcher, au sens des moindres carrés, le profil de la tranche de coupe idéale - un créneau de largeurbce qui mène à la résolution du système d'équations Une fois les coefficients kn calculés en fonction de a, b, x1 ,N, on dispose de tous les éléments caractérisant la géométrie et le fonctionnement du système d'antennes.En fonction des dimensions caractéristiques du système d'antennes -gabarits et longueur totale des bobinages - et des possibilités d'alimentation - par un ou plusieurs amplificateurs radiofréquence - deux modes de réalisations sont possibles. Dans le premier, lorsqu'on étudie des petits échantillons, les antennes élémentaires peuvent etre des bobines multispires. Tant que la lon gueur totale des bobinages reste négligeable devant la longueur d'onde émise, chaque bobine élémentaire peut être assimilée à une spire unique en ce qui concerne le champ radiofréquence généré. Elles sont reliées en série et alimentées par un seul générateur - amplificateur radiofréquence. Ainsi les coefficients kn physiquement réalisés sont des nombres rationnels : les rapports es nombres de spires des bobines concernées. Un reajustement de m1- par rapport à son choix initial est réalisé suivant la meme méthode des moindres carrés. L'élément caractéristique du système d'antennes - le déphasage de 1300 des champs radiofréquence générés par deux bobines adjacentes est réalisé par inversion du sens des bobinages d'une antenne élémentaire à l'autre - (figure 3). Le deuxième mode de réalisation est à envisager surtout pour les systèmes d'imagerie par RMS destinés à l'étude des grands échantillons (corps humain). Dans ce cas chaque antenne élémentaire est une spire unique. Vue la symétrie du système-d'antennes par rapport au plan de coupe, les spires équidistantes du plan de coupe sont reliées en parallèles. Chaque paire de spires est alimentée par un amplificateur radiofréquence de gain réglable. Tous les amplificateurs sont attaqués par un générateur radiofréquence possédant plusieurs sorties déphasées convenablement. A défaut d'un système indépendant d'antennes radiofréquence pour la réception des signauxde RNN on peut utiliser à cet effet le système d'antennes radiofréquence démission ou au moins son élément central. la présente invention trouve son~application principale dans le domaine de l'imageriepar ZZ. Grâce- ses propriétés d'irradiation sélective, une nouvelle méthode de définition de la tranche à visualiser est possible. On évite ainsi les difficultés posées par la réalisation des systèmes de gradients alternatifs etXou rapidement commutables tout en bénéficiant des avantages des bobines solénoidales comparées aux bobines en selle de cheval : meilleure homogénéité, rendement, efficacité de détection et rapport signal à bruit. D'autres applications sont possibles dans le domaine biologique ou industriel général, par exemple contrôle non destructif de spécimens organiques, marquage magnétique sans perturbation des fluides dans des mesures de débits ou de vitesses. REVENDICATIONS 1. Système de bobines électromagnétiques pour l'étude des corps ou échantillons biologiques au moyen de la résonance magnétique nucléaire (RMN) comportant un premier ensemble de bobines (1) dit électro-aimant générant un champ magnétique homogène Bo (6) dans lequel est pl2cé le corps à étudier et un deuxième ensemble de bobines coaxiales (2) et (3) entourant la partie du corps à examiner et formant le système d'antennes qui génère le champ magnétique radiofréquence BA perpendiculaire à Bo caractérisé en ce que - le premier ensemble de bobines (1) formant un électro-aimant sans circuit magnétique permet l'introduction transversale du corps à étudier dans l'espace de mesure, c' est-à-dire perpendiculairement au champ Bo de l'électro-aimant, - le deuxième ensemble de bobines comporte une bobine solénoldale centrale (2) et au moins une paire de bobines solénoldales laterales (3); chaque paire de bobines latérales est formée par deux bobines identiques encadrant symétriquement la bobine centrale et génère un champ magnétique radiofréquence en opposition de phase avec celui généré par les paires adjacentes ; les amplitudes des champs magnétiques radiofréquence générés par la bobine centrale (2) et les bobines latérales (3) sont telles que leur superposition, compte tenu de leur déphasage, a pour résultat le champ B1 confiné vers le plan median à l'intérieur de la bobine centrale (2) dans un volume lenticulaire de résolution. 2. Système de bobines selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier ensemble de bobines comporte un circuit magnétique dont l'entrefer sauvegarde les mêmes caractéristiques d'accessibilité. 3. Système de bobines selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que chacune des bobines formant le système d'antennes radiofréquence, comporte une seule spire circulaire. 4. Système de bobines selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la bobine centrale du système d'antennes radiofrequence est scindée en deux bobines identiques légèrement décalées de part et d'autre du plan médian du système d'antennes de façon à améliorer l'homogénéité de la distribution radiale du champ magnétique radiofréquence 13% tout en conservant sa distribution longitudinale (l'effet de confinement). 5. Système de bobines selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le deuxième ensemble de bobines constitue un unique système d'antennes pour l'émission et la réception radiofréquence. 6. Système de bobines selon la revendication 5 caractérise en ce que seulement la bobine centrale-du système unique d'antennes radiofréquence est utilisé pour la réception des signaux de RNN. 7. Appareil d'imagerie par RMN caractérisé ence qu'il utilise pour étudier des parties d'un corps humain ou des échantillons biologiques, un système de bobines selon l'une des revendications précédentes.