Brevet FR2526968A1 — publié le 19831118

- PROCEDE DE TOMOGRAPHIE D'UN OBJET PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE L'invention concerne un procédé de tomographie, par réso- nance magnétique nucléaire, d'un objet, elle a plus particulièrement pour but une acquisition rapide de l'image de la coupe choisie. On sait qu'il est possible de reconstituer l'image de la coupe S d'un objet, éventuellement un être vivant, en mesurant le parama- gnétisme nucléaire des atomes d'un élément choisi dudit objet (par exemple l'hydrogène) à condition de provoquer un phénomène de résonance magnétique des noyaux de ces atomes (car la petitesse du paramagnétisme nucléaire est telle qu'il n'est décelable que par un phénomène de résonance) et de mesurer les manifestations du champ magnétique tournant émis par les noyaux ainsi excités Les caracté- ristiques spectrales du champ émis en retour permettent de déduire la répartition des atomes de l'élément choisi dans l'objet étudié et donc d'obtenir une image de la structure interne de cet objet Pour Ès reconstituer une image, on peut par exemple ne provoquer la résonance que dans un plan de l'objet, en surperposant un gradient de champ magnétique au champ directeur dans lequel se trouve placé l'objet, simultanément à l'excitation et séparer le signal provenant du plan sélectionné en un certain nombre de lignes, en superposant un autre gradient de champ magnétique simultanément à la mesure du phénomène de résonance et en procédant à une analyse de Fourier du signal reçu Il convient de noter pour toute la suite de la description que les "plans" cités ont nécessairement une certaine épaisseur; ce sont en fait des tranches localisées dans l'espace o règne le champ directeur dans lequel l'objet à étudier est placé De même, une "ligne" définie à l'intersection de deux "plans" est en fait un volume de faible section s'étendant suivant une direction -2 - déterminée de l'espace Le premier gradient cité (gradient à l'émission) est appliqué perpendiculairement au plan sélectionné tandis que le second gradient cité (gradient à la réception) est appliqué parallèlement à celui-ci Cependant, si on est capable de différencier une pluralité de lignes grâce à l'analyse de Fourier, on ne peut en une seule fois séparer les différents points c'est-à-dire les différents volumes élémentaires) de ces lignes On est donc amené à procéder d'une façon analogue à celle qui est utilisée dans les tomodensitomètres à rayons X On renouvelle le phénomène plusieurs fois en changeant à chaque fois la direction du gradient à la réception et en appliquant un algorithme de reconstruction de l'image du plan. Une autre méthode connue, décrite par Hutchison et Mallard, consiste à mesurer et analyser non plus le signal reçu à la fin de l'excitation mais son écho de Spin élaboré dans des conditions particulières L'écho de Spin est un phénomène bien connu qui se manifeste par la réapparition du signal de résonance magnétique des noyaux, notamment lorsque ceux-ci ont été soumis à au moins deux séquences successives d'excitation. Le plan de la tomographie est sélectionné comme précédem- ment pendant une première excitation par application d'un gradient simultanément à celle-ci. L'intensité et la durée de la première excitation sont détermi- nées pour que les moments magnétiques basculent de 90 dans le plan de tomographie Puis un autre gradient est appliqué parallè- lement au plan de la tomographie suivant une direction choisie pour provoquer des déphasages entre les moments magnétiques apparte- nant à différentes "lignes" du plan On particularise donc par ce moyen une pluralité de lignes dans le plan de tomographie avant de lui appliquer la seconde excitation dont l'intensité et la durée sont déterminées pour provoquer un basculement supplémentaire des moments magnétiques, d'un angle de 180 , de façon à provoquer ultérieurement l'écho de Spin Un gradient parallèle au plan de tomographie et perpendiculaire au gradient ayant engendré les -3 - déphasages entre lignes est appliqué simultanément à la réception de l'écho de Spin L'analyse de Fourier du signal d'écho de Spin n'est toujours pas suffisante pour séparer en une seule fois les réponses des différents points des différentes lignes Il faut répéter plusieurs fois le cycle élémentaire énoncé ci-dessus en changeant à chaque fois, non plus la direction, mais la valeur du gradient provoquant les déphasages entre lignes Ce procédé fait encore appel à un algo- rithme de reconstruction relativement complexe car le signal d'écho de Spin analysé est représentatif de tous les moments magnétiques -o du plan de tomographie Ce signal d'écho de Spin est assez faible. En outre, il est à noter que dans ces deux types de procédé antérieur, la tomographie est toujours pratiquée dans un plan sélectionné pendant une phase d'excitation On est par conséquent obligé d'observer un temps de repos correspondant au temps de relaxation de l'élément considéré, après chaque cycle élémentaire, pour laisser les moments magnétiques des atomes du plan sélec- tionné à chaque fois, reprendre leur état d'équilibre Si ce temps de repos (qui peut être de l'ordre d'une seconde) n'est pas observé, le signal est très affaibli à la réception et devient inexploitable Le temps nécessaire pour acquérir le nombre de lignes nécessaire pour reconstituer une image peut donc atteindre plusieurs minutes ce qui est contraignant, notamment si l'objet analysé est un être vivant. Le procédé selon l'invention permet d'éviter tous ces incon- vénients En particulier, ce procédé permet d'obtenir un signal d'écho de Spin qui soit directement représentatif d'une ligne du plan de tomographie de sorte que l'analyse de Fourier de ce signal permette de reconstituer directement l'image de cette ligne, sans mise en oeuvre d'un algorithme de reconstruction complexe De plus, l'invention vise aussi un procédé pour lequel il n'est pas nécessaire d'observer le temps de repos précité après l'acquisition de chaque ligne. Dans cet esprit, l'invention concerne donc un procédé de tomographie d'un objet par résonance magnétique nucléaire, consis- tant à créer un phénomène de résonance magnétique nucléaire dans -4 - des atomes d'un élément choisi dudit objet placé dans un champ magnétique directeur, puis à mesurer les caractéristiques du champ magnétique tournant rayonné par ces atomes pour en déduire une réprésentation de leur répartition dans ledit objet, caractérisé en ce qu'on reconstitue une image ligne par ligne en choisissant chaque ligne à l'intersection de deux plans sélectionnés par deux gradients de champ magnétique appliqués respectivement en même temps que deux séquences successives d'excitation propres à provoquer ulté- rieurement un phénomène d'écho de Spin et en mesurant ledit phénomène d'écho pour acquérir ladite ligne. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé, on sélectionne respectivement deux plans dans deux groupes dé plans à chaque cycle d'acquisition d'une ligne, les deux plans sélectionnés à chaque fois étant distincts de tous les autres, de façon que la surface définie par l'ensemble des lignes d'intersection des plans sélectionnés deux à deux ne se confondent avec aucun desdits plans. Les plans d'un même groupe sont sensiblement parallèles entre eux. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 illustre le comportement classique de la résul- tante macroscopique des moments magnétiques d'un groupe de noyaux d'atomes en présence d'un phénomène de résonance magné- tique nucléaire; la figure 2 est un diagramme illustrant l'évolution dans le temps et l'espace d'un gradient de champ magnétique; la figure 3 est un diagramme illustrant les conditions classiques de production d'un phénomène d'écho de Spin; la figure 4 illustre le mode de sélection conforme à l'in- vention des lignes du plan de tomographie; et la figure 5 est un chronogramme illustrant un cycle d'acqui- sition d'une ligne conformément au principe de l'invention. On rappelle que l'observation d'un phénomène de résonance magnétique nucléaire suppose l'existence d'un puissant champ ma- gnétique continu Ht *,ou champ directeur, dans lequel est placé - l'objet à examiner et d'un champ tournant 11, ou champ excitateur, plus faible, perpendiculaire au champ directeur Ho et dont la vitesse angulaire se situe dans le domaine des radiofréquences En l'absence du champ excitateur H 7, la résultante macroscopique M des moments magnétiques d'un groupe de noyaux trouve une position d'équilibre parallèlement au champ directeur it On démontre qu'en présence du champ excitateur le mouvement de cette résultante macroscopique M est assimilable à celui de l'axe d'un gyroscope. C'est ce qu'illustre la figure 1 Autrement dit, s'agissant de recons- tituer une image d'une coupe choisie d'un objet,on peut admettre que chaque petit volume élémentaire de cet objet, correspondant à un point de définition de l'image, est modélisé (du point de vue des propriétés magnétiques nucléaires) par un petit gyroscope aimanté. L'étude des mouvements de ces gyroscopes dans les conditions indiquées cidessus, donnera des indications sur la concentration des atomes de l'élément étudié dans les différents volumes alémentaires de l'objet, cet élément particulier (l'hydrogène le plus souvent) étant sélectionné parmi les autres par le choix de la vitesse angulaire du champ tournant excitateur 1 Au voisinage de la résonance magné- tique nucléaire, la vitesse de precession v de la résultante macro- scopique Mr dépend de la valeur du champ directeur L'angle de basculement Kdépend de l'intensité et de la durée du champ exci- tateur En pratique, une structure de base pour réaliser une image en exploitant le phénomène de résonance magnétique nucléaire comporte des moyens propres à engendrer un champ magnétique continu et puissant (le champ directeur Ff) dans un espace donné o l'on place l'objet à étudier, des bobines d'excitation recevant un signal radiofréquence, disposées dans cet espace pour engendrer le champ excitateur 1 et des bobines de réception susceptibles de capter le faible champ magnétique tournant émis en retour par les noyaux excités L'installation est en outre complétée par des moyens permettant d'établir des gradients de champ magnétique suivant des directions choisies de l'espace et à des moments voulus Une telle installation est classique et n'est donc pas représentée Etant donné -6la faiblesse du champ tournant émis en retour, on opère séquentiellement pour que le champ rayonné par les noyaux ne soit pas masqué par la présence du champ excitateur H 1 On procède donc d'abord à une phase d'excitation des noyaux de l'élément choisi en appliquant un signal radiofréquence à la bobine d'excitation et on mesure le champ rayonné à la fin de la période d'excitation, les moments magnétiques étant alors en état de precession libre En effet, à la disparition du signal radiofréquence d'excitation, les moments magnétiques sont tous inclinés d'un angle d par rapport au champ directeur et tournent à la vitesse angulaire W La precession libre se poursuit pendant un temps encore relativement long avant que les moments magnétiques reprennent leur position d'équilibre, parallèlement au champ directeur Le signal développé aux bornes d'une bobine de réception s'amortit sensiblement expo- nentiellement. Si le champ directeur H O est bien uniforme, tous les atomes de l'élément sélectionné, contenus dans l'objet plongé dans ce champ, réagissent au champ excitateur pourvu que celui-ci ait la bonne vitesse angulaire Il Lst cependant préférable de pouvoir sélec- tionner au moins un plan de l'objet puisqu'on cherche à obtenir une image d'une coupe de cet objet I 1 est classique de sélectionner un tel plan simultanément à la séquence d'excitation en superposant au champ directeur O un champ plus faible variant linéairement dans l'espace, donc un gradient de champ 10 orienté suivant une direc- tion choisie de l'espace Le résultat est que l'objet placé dans ledit espace se trouve virtuellement découpé en plans parallèles, perpen- diculaires à la direction du gradient, pour lesquels le module du champ total SI= (H O + A ) est constant Par conséquent, il corres pond une fréquence de résonance déterminée à chacun de ces plans et seul celui qui est "accordé" à la fréquence du champ excitateur est l'objet d'un phénomène de résonance magnétique et est donc susceptible de rayonner un champ tournant mesurable. Ce gradient de champ est de la forme ( 61 O) t Plus préci- sément, il n'est engendré que pendant un intervalle de temps donné, plus grand que (et englobant) celui pendant lequel ie champ -7 - excitateur est appliqué La figure 2 montre l'évolution du champ global H pendant cet intervalle de temps, dans la direction d'appli- cation du gradient, par exemple une direction Ox On voit qu'à des instants successifs t 0, t 1, t 2 t 6, t 7, le champ H évolue linéairement dans l'espace, avec une pente augmentant progressi- vement à partir d'une répartition uniforme HO, atteignant une valeur maximum à l'instant t 3 et décroissant ensuite jusqu'à s'annuler à nouveau, à l'instant t 7 Le champ d'excitation est généré pendant un court intervalle de temps (autour de l'instant t 3) au cours duquel le gradient est sensiblement stabilisé. Le fait d'avoir sélectionné un plan pendant l'excitation n'est cependant pas suffisant pour reconstituer une image de ce plan car le signal reçu après la phase d'excitation est représentatif de la réponse de l'ensemble des noyaux excités dans ce plan et ne permet pas de déduire immédiatement la répartition des noyaux dans ledit plan Il est connu de distinguer différentes lignes parallèles dans ce plan en établissant un gradient de même nature que celui décrit précédemment pendant la réception et suivant une direction de ce plan perpendiculaire à la direction des lignes parallèles que l'on cherche à distinguer Dans ces conditions, la valeur du module du champ global H est constante pour chaque ligne du plan Comme la vitesse de precession libre Cu des gyroscopes dépend directement de la valeur du champ global dans lequel ils se trouvent, il s'ensuit que tous les gyroscopes associés respectivement aux différents points d'une même ligne rayonnent un champ tournant à une vitesse angulaire propre et différente de celle de la ligne voisine Le signal détecté à la réception est donc la résultante d'un mélange de fréquences et le spectre de Fourier de ce signal permet de discerner la "réponse" des différentes lignes du plan suivant une direction donnée de ce plan, puisqu'à chaque ligne correspond une fréquence donnée de la transformée de Fourier du signal Il suffit de recom- mencer les mêmes opérations excitation-réception en changeant à chaque fois la direction du gradient en réception pour acquérir les données suffisantes à la reconstruction d'une image en appliquant un algorithme analogue à celui utilisé dans un tomodensitomètre. La méthode décrite par Hutchison et Mallard, mentionnée ci- dessus, utilise un phénomène d'écho de Spin Ce phénomène est bien connu et peut être expliqué comme suit A la fin d'une phase d'excitation, toutes les résultantes macroscopiques élémentaires X ont basculé d'un même angle d dépendant de la durée de l'excitation et de l'intensité du champ excitateur i; On peut supposer par exemple que les axes des gyroscopes ont tous basculé de 90 et tournent en phase à la même vitesse W C'est un signal représen- tatif de la résultante de ces mouvements qui est capté par les bobines de mesure au tout début de la réception, c'est-à-dire juste après la disparition du champ excitateur Ce signal, comme on l'a indiqué, s'amortit assez rapidement Il est important de noter que cette décroissance rapide ne signifie pas que les moments magné- tiques aient retrouvé leur état d'équilibre (l'annulation de l'incli- naison demande un temps beaucoup plus long) Elle est due à un déphasage progessif des mouvements de precession des moments magnétiques tournant à des vitesses légèrement différentes les unes des autres de sorte que la résultante du champ tournant capté devient rapidement nulle Cependant, les différents "gyroscopes" continuent de tourner avec sensiblement la même inclinaison par rapport au champ global i Si on réapplique le champ excitateur avec une intensité et pendant un temps propres à provoquer un basculement supplémentaire de tous les "gyroscopes" de M'80 au-delà de l'angle qu'ils ont atteint après la première application du champ excitateur, les déphasages relatifs des "gyroscopes" évoluent alors dans le sens inverse de celui qu'ils ont décrit avant le retournement. On aboutit donc à un nouveau passage en phase de ceux-ci, corres- pondant à l'état qu'ils avaient à la fin de la première application du champ excitateur Un signal exploitable apparaît donc et ce signal redécrit "symétriquement" l'évolution du signal apparu à la fin de la première application du champ excitateur, c'est-à-dire que ce signal a une amplitude croissante jusqu'à une valeur maximum à partir de laquelle, il redécroît jusqu'à s'annuler par suite d'un nouvel éparpil- lement des phases des "gyroscopes" en precession libre. 9 - La figure 3 A illustre les deux émissions radiofréquences EJ, E 2, appliquées à une bobine susceptible d'engendrer le champ excitateur 1 tandis que la figure 3 B montre l'allure des signaux si, 52 qui peuvent être recueillis au bornes d'une bobine réceptrice. Le premier signal 51 de durée T est détectable immédiatement après la première émission radiofréquence El tandis que le signal d'écho de Spin 52 apparaît un momfent après la seconde émission radiofréquence E 2 Cette dernière a été représentée avec une amplitude double de celle de l'émission E 1 et avec la même durée. Selon l'invention, le phénomène connu qui vient d'être décrit pour mémoire permet de sélectionner successivement deux plans Il suffit en effet de créer deux gradients de champ magnétique IG et G du type de celui décrit à la figure 2 en même temps que les deux émissions radiofréquences E 1 et E 2 respectivement Ceci est illustré à la figure 5 Dans ces conditions, les "gyroscopes" de la ligne d'intersection des deux plans sélectionnés seront les seuls à donner lieu à un signal d'écho de Spin tel que 52 Un autre gradient est appliqué à la réception parallèlement à cette ligne et l'analyse de Fourier du signal d'écho permet d'obtenir directement l'image des points de cette ligne Un ensemble de lignes parallèles acquises de cette façon, permet de reconstituer une image Outre l'intérêt de permettre Pacquisition directe ligne par ligne de l'image, l'invention présente aussi celui d'échapper à la nécessité d'attendre, après chaque cycle élémentaire aboutissant à l'acquisition d'une ligne, que tous les "gyroscopes" aient retrouvé leur état d'équilibre. Pour cela, la surface de coupe définie par l'ensemble des lignes d'intersection des plans sélectionnés deux à deux ne se confond jamais avec aucun de ces plans Ainsi, il n'est pas nécessaire d'attendre après l'acquisition de chaque ligne et l'image peut être reconstituée très rapidement, en quelques secondes Plus préci- sément, l'acquisition des différentes lignes, selon l'invention, est conforme à la représentation de la figure 4 Les directions respectives des deux gradients de champ; et e définissent respectivement deux groupes de plans parallèles (Pli, P 12,P 13) et - (P 21 P 22, P 23 -) se coupant deux à deux dans le plan de tomo- graphie PO dont on veut relever l'image A chaque détection d'un signal d'écho de Spin, on acquiert donc successivement les lignes L 1, L 2, L 3 du plan P O Le gradient G est par exemple établi au moment de la pretnière émission radiofréquence (El, figure 5) tandis que le gradient 2 est établi au moment de la seconde émission radiofréquence (E 2, figure 5) Le gradient 3 est établi paral- lèlement aux lignes L 1, L 2, L 3 pendant la réception du signal d'écho de Spin Le passage d'un plan donné (Pli) au plan sui- vant (P 12) du même groupe est de préférence obtenu par change- ment de la fréquence du signal radiofréquence d'excitation corres- pondant (émission radiofréquence El), le gradient l) étant réap- pliqué de la Calme manière à la sélection de chaque plan de la même famille On peut cependant envisager d'opérer par changement du champ magnétique global H ou par la combinaison des deux moyens L'orientatiopn des gradients G, et 2 dans l'espace définit l'inclinaison avec laquelle les plans sélectionnés se coupent deux à deux Comme ces plans ont une certaine épaisseur on conçoit que le choix judicieux de la direction des gradients 'c et G 2 dans I'espace permettra de déterminer le volurne et la forme de la ligne sélectionnée, ce volume (qui dépend aussi de l'épaisseur des plans) ne devant pas être trop faible pour que le signal d'écho de Spin correspondant reste mesurable La figure 5 résume les différentes étapes de l'acquisition d'une ligne conformément à l'invention, les gradients de champ AI, G 2 et G 3 étant établis conformément à ce qui a été expliqué en référence à la figure 2 et étant orientés dans l'espace conformément à la figure 4 Il est à noter que l'application du gradient G 3 après la seconde émission radiofréquence impose l'application d'un gradient de même direction -4 après la première émission radiofréquence, pour que l'écho de Spin apparaisse La valeur intégrée dans le temps du gradient È; (de t 1 à t 2, figure 5) est égale à la valeur du gradient G 3 intégré jusqu'à la moitié de la durée de l'écho de Spin (de t 3 à t 4, figure 5) Par ailleurs, on aura intérêt à relever l'image à partir de plusieurs trames entrelacées En effet, les moments magnétiques des atomes voisins d'un plan sélectionné ont inévitablement été faiblement "excités" 11 est donc préférable d'acquérir toute une trame de lignes espacées pour qu'un temps suffisant au retour de ces moments magnétiques à leur état d'équilibre, s'écoule avant la véritable sélection du plan auquel ils appartiennent. Ainsi, en référence à la figure 4, on comprend que les lignes L 1, L 2, L 3 appartiennent à une même trame Si on prévoit "n" trames, les lignes sont espacées entre elles d'une distance corres- pondant à (n 1) trames Les trames successives peuvent être décalées d'un certain nombre de ligne A titre d'exemple, si "n" = 8, chaque trame peut être décalée de 3 lignes par rapport à la précédente de sorte que l'enchevêtrement des trames peut être représenté de la façon suivante: 1 14171215181316111 12 - REVENDICATIONS 1 Procédé de tomographie d'un objet par résonance magné- tique nucléaire consistant à créer un phénomène de résonance magnétique nucléaire dans des atomes d'un élément choisi dudit objet placé dans un champ magnétique directeur (Ho) puis à mesurer les caractéristiques du champ magnétique tournant rayonné par ces atomes pour en déduire une répréspntation de leur répartition dans ledit objet, caractérisé en ce qu'on reconstitue une tomographie ligne par ligne en choisissant chaque ligne (L 1, L 2, L 3) à l'inter- section de deux plans sélectionnés par deux gradients (Ga G de 1 ' 2 champ magnétique appliqués respectivement en même temps que deux séquences (El, E 2) successives d'excitation propres à provoquer ultérieurement un phénomène d'écho de Spin ( 52) et en mesurant ledit phénomène d'écho pour acquérir ladite ligne. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on sélectionne respectivement deux plans (P 11, P 12) dans deux groupes de plans à chaque cycle d'acquisition d'une ligne, les deux plans sélectionnés à chaque fois étant distincts de tous les autres de façon que la surface (P 0) définie par l'ensemble des lignes d'intersection des plans sélectionnés deux à deux ne se confonde avec aucun desdits plans. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plans d'un même groupe sont sensiblement parallèles entre eux. 4 Procédé selon la revendication 1 ou 2, du type consistant à créer le phénomène d'écho de Spin précité en superposant au champ magnétique directeur précité un champ tournant ( tournant d'excitation. 5 Procédé selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé en ce que le passage d'un plan à un autre plan du même groupe est obtenu par modification du champ magnétique directeur précité. 13 - 6 Procédé selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé en ce qu'on acquiert chaque ligne en appliquant un premier gradient (G 3) de champ suivant la direction de ladite ligne pendant l'apparition dudit écho de Spin et en analysant la transformation de Fourier dudit écho. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on applique un second gradient (d 4) de champ suivant la direction de ladite ligne entre les deux séquences d'excitation précitées, dont la valeur intégrée dans le temps est sensiblement égale à la valeur dudit premier gradient intégrée jusqu'à la moitié de la durée dudit écho. 8 Procédé selon l'une des revendications précédentes, carac- térisé en ce que l'image complète est acquise en plusieurs trames entrelacées. 9 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que deux trames acquises successivement sont décalées entre elles d'un nombre de lignes choisi. Procédé selon l'une des revendications 2 à 9 caractérisé en ce qu'on oriente les deux premiers gradients cités (G 1, G 2) dans l'espace pour que les plans qu'ils sélectionnent respectivement forment deux à deux un angle voulu, contribuant au réglage de l'épaisseur de la tomographie.