Brevet FR2567648A1 — publié le 19860117

La présente invention concerne des systèmes d'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) et elle porte plus particulièrement sur des dispositifs et des procédés pour ajuster des aimants des systèmes d'imagerie par RMN et pour corriger les défauts d' homogénéité inhérents du champ magné- tique dans les systèmes d'imagerie par RMN. On désigne sous le nom d'ajustement la procédure de correction du défaut d'homogénéité. Cette procédure comprend deux étapes: i) On détermine une représentation du champ magnéti- que à certains points situés sur la surface d'une sphère centrée au centre de l'aimant, et ii) On corrige des défauts d'homogénéité du champ en faisant circuler certains courants dans des bobines d'ajus- tement individuelles, pour générer de nouveaux champs magné- tiques qui corrigent le défaut d'homogénéité. A l'heure actuelle, on effectue de façon semi-manuelle l'ajustement des aimants de RMN pour améliorer l'homogénéité du champ magnétique. Plus précisément, on mesure l'homogénéité du champ magnétique des systèmes d'imagerie par RMN en utili- sant des sondes dans des régions particulières du champ ma- gnétique statique, ou en formant l'image de structures de test ou "fantômes" dans des régions particulières. Bien en- tendu, le champ magnétique statique devrait théoriquement être absolument homogène dans l'alésage de l'aimant. En pratique, il existe dans tous les aimants de RMN un défaut d'homogénéité faible mais non négligeable. On utilise des bobines d'ajuste- ment pour corriger ce défaut d'homogénéité. Apres avoir ap- pliqué les courants aux bobines d'ajustement, on effectue une nouvelle représentation-du champ magnétique et on la compare à la première. Finalement, on ajuste les intensités des cou- rants. On répète les opérations de mesure et d'ajustement jusqu'à ce qu'on obtienne une homogénéité suffisante. On comprend qu'il s'agit d'un processus demandant beaucoup de temps. Les systèmes de RMN sont coûteux et, par conséquent, pour qu'ils soient rentables pour les hopitaux et les cliniques, ils doivent avoir une durée d'immobilisation minimale et une durée de fonctionnement maximale. Il est donc dans l'intérêt des constructeurs de systèmes de RMN de prévoir un ajustement automatique du champ magnétique pour corriger des défauts d'homogénéité en un temps aussi court que possible, et avec l'utilisation du moins de main d'oeuvre possible. On a tenté dans l'art antérieur d'utiliser des struc- tures de test ou " fantômes" dans la région centrale de l'ai- mant pour représenter le champ magnétique dans cette région. Une telle représentation du champ par formation d'une image est décrite par exemple dans une publication de la "Society of Magnetic Resonance Imaging in Medicine", à l'occasion de la seconde réunion annuelle de la société à San Francisco, le 19 août 1983, dans un article intitulé "Field Measurement by Fourier Imaging" par A.G. Simon et col., Columbia Univer- sity of Physicians and Surgeons. Dans cet article, les au- teurs suggèrent l'utilisation de structures de test compre- nant un seul tube rectiligne ou un réseau de tubes dans un disque circulaire. L'article décrit une structure de test qui consiste en un disque mince empli d'eau. L'utilisation du disque mince empli d'eau ne permet de mesurer l'homogénéité du champ que dans un seul plan. L'utilisation de plusieurs de ces disques emplis d'eau per- mettrait de tester l'homogénéité dans plusieurs plans mais exigerait un calcul tridimensionnel relativement long et complexe pour obtenir une représentation des intensités de champ magnétique. La nécessité de corrections efficaces de défauts d'homogénéité demeure donc. L'invention a donc pour but de procurer un système d'ajustement automatique destiné à corriger les défauts d'homogénéité de champs magnétiques de RMN, ce système comprenant: - des moyens destinés à générer des champs magné- tiques statiques pour un système d'imagerie par RMN, - des bobines d'ajustement destinées à corriger des défauts d'homogénéité dans ces champs magnétiques statiques, - des moyens destinés à élaborer une representation du champ magnétique statique d'un système d'imagerie par MN, ces moyens de représentation comprenant - une structure de test tridimensionnelle destinée à simplifier l'obtention de la représentation du champ, cette structure de test comprenant: un ensemble d'échantillons comprenant un élément ayant des moments magnétiques nucléaires non nuls répartis au point de vue spatial dans la structure de test tridimen- sionnelle, pour permettre de localiser de façon effective et sans ambiguité chacun des échantillons avec seulement deux gradients de codage, - des moyens destinés à obtenir des données de re- présentation de champ de la structure de test tridimension- nelle, - des moyens destinés à évaluer les données de re- présentation de champ, pour déterminer un défaut d'homogé- néité du champ, et - des moyens fonctionnant sous la dépendance des données de représentation de champ évaluées de façon à ajus- ter les courants dans les bobines d'ajustement individuelles, jusqu'à l'obtention de l'homogénéité de champ exigée. Une caractéristique de l'invention consiste en une structure de test originale pour la représentation du champ magnétique. La structure de test comprend un certain nombre de fioles emplies d'eau placées sur la surface d'une sphère. Les fioles emplies d'eau sont disposées de façon qu'on puisse aisément obtenir des données d'intensité de champ magnétique de chaque fiole individuelle dans la structure de test. Selon une variante, chacune des fioles pourrait être entourée par une bobine RF et testée individuellement pour obtenir une mesure de l'induction magnétique à des emplacements par- ticuliers dans le champ magnétique statique. Des circuits de commande fonctionnant sous la dépen- dance d'une comparaison des mesures d'homogénéité de champ ajustent des courants dans des enroulements d'ajustement in- dividuels pour corriger les défauts d'homogénéité mesurés du champ. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexes sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique général d'un système d'imagerie par RMN utilisant la structure de test de l'invention et la figure la représente le système de coor- données utilisé; La figure 2 est une representation éclatée d'un mode de réalisation de la structure de test; La figure 3 est une représentation de la structure de test dans la direction de l'axe Y, dans le système de coordonnées X, Y, Z normal qui est utilisé en association avec des systèmes d'imagerie par RMN; et La figure 4 est une représentation des échantillons d'eau de la figure 3 projetés sur le plan X, Y (ou Z=0). Le schema synotpique de la figure 1 montre un sys- tème d'imagerie par RMN 11. Le système d'imagerie par RMN comprend des bobines d'aimants 12 et 13 qu'on utilise pour produire le champ magnétique statique. Les bobines 12, 13 sont alimentées en courant par un générateur 14 représenté sur le schéma synoptique. Le système comprend également les bobines RF 17 et 17' qu'on utilise: 1) pour exciter l'aimantation nucléaire à partir de son équilibre institué par le champ magnétique statique produit par les bobines 12 et 13; et 2) pour détecter le signal de précession libre gé- néré par les moments magnétiques nucléaires hors équilibre. Les bobines RF 17, 17' sont alimentées en courant par l'intermédiaire d'un amplificateur RF 19 qui reçoit son signal à partir d'un modulateur 21. Le modulateur 21 travail- le sur le signal radiofréquence fourni par un générateur ra- diofréquence 22. Sur la représentation qui est faite, le si- gnal modulant est fourni par un générateur de signal modulant 23. Des moyens sont prévus pour faire varier dans l'es- pace le champ magnétique statique. Ces moyens peuvent com- prendre les bobines de gradient X représentées en 24 et 26 qui sont alimentées en courant par un générateur de gradient X 27 et un amplificateur de gradient X 28. De façon simi- laire, le champ statique est modifié par un gradient Y pour produire une variation spatiale du champ magnétique statique dans la direction de l'axe Y. Les moyens destinés à produire cette variation sont représentés par un générateur de gra- dient Y 31 qui applique un courant aux bobines de gradient Y 33 et 34 par l'intermédiaire d'un amplificateur de gradient Y 32. On produit également une variation spatiale du champ statique dans la direction de l'axe Z par l'utilisation de bobines 36 et 37. Les bobines de gradient Z reçoivent leur courant à partir d'un générateur de gradient Z 38, par l'intermédiaire d'un amplificateur de gradient Z 39. On no- tera que les coordonnées X, Y et Z mentionnées sont repré- sentées sur la figure la. Un mode de réalisation préféré comporte des moyens prévus pour tester l'homogénéité des champs magnétiques sans avoir à--déplacer une sonde de façon répétée. Plus pré- cisément, on a représenté la structure de test tridimen- sionnelle originale 18,-de forme sphérique. La structure de test est constituée par un ensemble d'échantillons d'une matière telle que l'eau contenant des éléments ayant des moments magnétiques nucléaires différents de zéro. La dis- tribution des échantillons dans la structure de test tri- dimensionnelle de forme sphérique est conçue de façon à 23676,48 minimiser le nombre de mesures nécessaires pour déterminer l'homogénéité du champ, les mesures de l'homogénéité du champ statique étant néanmoins suffisantes pour corriger de façon appropriée des défauts d'homogénéité jusqu'à un cer- tain ordre, du type qu'on rencontre normalement dans des systèmes de RMN, c'est-à-dire jusqu'à 500 ppm. I1 existe des moyens prévus pour mesurer la réponse à l'impulsion d'aimantation nucléaire. Ces moyens sont re- prOsentés sous une forme comprenant les mêmes bobines ra- diofréquences 17 et 17', connectées à un récepteur 43 par l'intermédiaire d'un interrupteur électronique 41 et d'un amplificateur 42. La sortie du récepteur est connectée à un ordina- teur 44. L'ordinateur 44 comprend des moyens destinés à transformer l'information obtenue.par le récepteur en in- tensités de champ magnétique au niveau de chaque échantillon de la structure de test 18. En outre, l'ordinateur 44 dé- termine la valeur de la variation à appliquer à des courants d'ajustement individuels pour corriger le défaut d'homogé- néité du champ magnétique. On corrige le défaut d'homogénéité du champ au moyen du générateur de courant d'ajustement 46 qui applique un courant, par un amplificateur 47, à des bobines d'ajus- tement qui sont représentées ici, à titre d'exemple, par des bobines d'ajustement 48 et 49. La figure 2 est une représentation éclatée de la structure de test 18. La structure de test tridimensionnelle de forme sphérique représentée sur les figures 2 et 3 com- prend cinq plans. Il existe un plan central 51 flanqué de deux plans 52 et 53 du côté droit et de deux plans 54, 56 du côté gauche. Il faut noter que l'invention n'est pas li- mitée au nombre de plans utilisés (ni au nombre utilisé de fioles par plan) dans cet exemple de structure de test. Les plans 51, 52, 54 et 56 sont representés sur la figure 2 comme étant des plans parallèles au plan Z=0. Le plan 51 contient 12 fioles. Les plans 52 et 54 contiennent également 12 fioles, tandis que chacun des plans 53 et 56 contient 8 fioles. I1 faut noter que sur les figures 3 et 4 toutes les fioles ayant une coordonnée Z positive ou nulle sont désignées par des cercles noirst tandis que celles ayant une coordonnée Z négative sont désignées par des cer- cles blancs. La figure 4 montre la projection des fioles sur le plan Z=0. Un avantage spécifique de cette structure de test consiste en ce que la position de chaque fiole dans l'espace est déterminée sans ambiguité à partir de cette projection bidimensiorn..ile, même lorsqu'on n'utilise que deux champs de gradient. A titre d'exemple, en utilisant des gradients X et Y, on détermine aisément que la fiole 58 appartien-t au plan 51. On peut déduire ceci du rayon du cercle sur lequel se trouve la fiole 589 On détermine évideiment le rayon à partir des coordonnées X et Y. La fiole 59 peut appartenir au plan 53 ou 56. Les angles de toutes les fioles dans les plans 53 et 56 sont choisis de façon qu'en projection sur le plan Z=O, il n'y ait pas su5erposition de deux fioles quelconques. Par conséquent, l'angle de 45 montre que la fiole 59 appartient au plan 53. On notera que l'in- vention n'est pas limitée à des structures de test compor- tant des fioles ayant une projection bidimensionnelle spé- cifique.o La procédure pour acquérir l'information de posi- tion complète concernant les fioles dans la structure de test, au cours de l'acquisition des données, est donc con- sidérablement simplifiée et prend beaucoup moins de temps. Il suffit d'obtenir une projection bidimensionnelle en utilisant uniquement des gradients X et Y, employés tous deux en tant que gradients de codage de phase. Dans des structures de test préférées pour des bo- bines prévues pour ltexamien de la tête et du corps, on a utilisé les dimensions suivantes pour la sphëre, la posi- tion Z des plans et le rayon de chacun des plans. Référence Sphère Sphere du plan Rayon = 150 mm Rayon = 250 mm Z Rayon du Z Rayon du plan plan 56 -135,9 63,5 -226,5 105,8 54 -80,7 -126,5 -134,5 210,8 51 0 150 0 250 52 +80,7 +126,5 134,5 210,8 53 +135,9 63,5 226,5 105,8 On a déterminé la position des échantillons en uti- lisant une relation de quadrature gaussienne pour cinq points, obtenue d'après le Tableau 25.4 à la page 216 de l'ouvrage "Handbook of Mathematial Functions" publié par Dover Publications. En fonctionnement, on procède à l'acquisition en appliquant une fréquence RF aux bobines RF 17 et 17'pour exciter les échantillons dans la structure de test. Les gradients X et Y introduisent des déphasages particuliers, qui dépendent des coordonnées, dans l'aimantation nucléaire des échantillons. On observe et on mesure le signal de pré- cession libre. Les données reconstituées du signal de pré- cession libre dans ce cas donnent une indication de l'homo- généité du champ. On obtient une matrice de répartition spatiale des fréquences des signaux de précession libre. Les fréquences procurent une mesure de l'homogénéité du champ magnétique. Les courants individuels des bobines d'ajustement sont commandés par l'ordinateur 44 et ajustés jusqu'à l'obtention de l'homogénéité de champ magnétique désirée. L'algorithme de calcul des courants des bobines d'ajustement est bien connu de l'homme de l'art. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et re- présentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système d'ajustement automatique destiné à amé- liorer l'homogénéité des champs magnétiques utilisés en résonance magnétique nucléaire (RMN), ce système compre- nant: des moyens (12, 13, 14, 17,17', 24, 26, 27, 28, 31- 34, 36-39) destinés à générer des champs magnétiques pour des systèmes d'imagerie par RMN, ces champs comprenant un champ magnétique statique, des champs magnétiques de gra- dient et un champ magnétique radiofréquence, des bobines d'ajustement (48, 49) destinées à corriger des défauts d'homogénéité du champ magnétique statique, et des moyens destinés à former une représentation du champ magnétique statique, caractérisé en ce que ces moyens de représenta- tion comprennent une structure de test tridimensionnelle (18) comprenant un ensemble d'échantillons (58, 59) d'un élément ayant des moments magnétiques nucléaires diffé- rents de zéro, répartis à des positions particulières dans la structure de test tridimensionnelle (18), des moyens (44) destinés à obtenir des données concernant des échan- tillons individuels dans des plans sélectionnés (51-56) de la structure de test tridimensionnelle (18), des moyens (44) destinés à comparer les données obtenues pour chacun des échantillons, et des moyens (44) destinés à régler le courant dans les bobines d'ajustement (48, 49) jusqu'à ce que les données obtenues à partir de chacun des échantil- lons soient pratiquement égales. 2. Système d'ajustement automatique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que chacun des échantil- lons (58, 59...) est placé en une position particulière dans la structure de test (18) pour permettre de détermi- ner ces positions en n'utilisant que deux gradients. 3. Système d'ajustement automatique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que la structure de test (18) est sphérique et les échantillons (58, 59...) sont placés à la surface de la sphère, sur un ensemble de il plans parallèles (51-56) 4. Système d'ajustement automatique selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que certains des plans paral- leles (52-54, 53-56) ont des rayons égaux à l'intersection avec la surface de la sphère, et en ce que les échantillons situés dans ces plans parallèles ayant des rayons égaux sont dans des positions angulaires différentes, grâce à quoi des projections de ces échantillons à partir de ces plans parallèles de rayons égaux, sur un autre plan paral- lèle, ne se chevauchent pas. 5. Système d'ajustement automatique selon la reven- dication 4, caractérisé en ce que les plans parallèles (5!-56) sont séparés dans la direction de l'axe Z lorsque la direction longitudinale de l'alésage de l'aimant princi- pal est orientée selon l'axe Z. 6. Système d'ajustement automatique selon i'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'on détermine les positions des échantillons {58, 59) en utilisant uniquement des gradients X et Y. 7. Système d'ajustement automatique selon les re- vendications 1, 5 et 6, caractérisé en ce que la structure de test (18) est dimensionnée de façon à pouvoir être lo- gée à l'intérieur des bobines RF (17, 179 destinées à l'examen du corps. 8. Système d'ajustement automatique selon les re- vendications 1, 5 et 6, dans lequel la structure de test (18) est dimensionnée de façon à pouvoir être logée à l'intérieur des bobines RF (17, 179 destinées à l'examen de la tête. 9. Système d'ajustement automatique selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend cinq plans parallèles (51-56), et un pre- mier plan parallèle (51) a un rayon égal au rayon de la sphère, des second et troisième plans parallèles (52, 54) ont des rayons égaux qui sont inférieurs au rayon du pre- mnier plan parallèle, et des quatrième et cinquième plans pa- rallèles (53, 56) ont des rayons égaux qui sont inférieurs aux rayons des second et troisième plans parallèles (52,54). 10. Système d'ajustement automatique selon la re- vendication 9, caractérisé en ce que les distances entre les plans parallèles (51-56) sont fixées selon une relation de quadrature gaussienne pour cinq points. 11. Système d'ajustement automatique selon la re- vendication 10, caractérisé en ce que les premier, second et troisième plans (51, 52, 54) ont le même nombre d'échan- tillons et en ce que les quatrième et cinquième plans (53, 58) ont le même nombre d'échantillons. 12. Système d'ajustement automatique selon la re- vendication 11, caractérisé en ce que les premier, second et troisième plans (51, 52, 54) contiennent chacun douze échantillons équidistants, et les quatrième et cinquième plans (53, 56) contiennent chacun huit échantillons équi- distants. 13. Structure de test prévue pour la représenta- tion du champ magnétique statique de systèmes d'imagerie par RMN, caractérisée en ce qu'elle comprend: un élément tridimensionnel (18) ayant des échantillons (58, 59...) répartis à des points sélectionnés, ces points sélection- nés se trouvant le long de l'intersection d'un ensemble de plans parallèles (51-56) et d'une surface de l'élément tridimensionnel (18), et ces points sélectionnés étant en outre distingués par le fait qu'ils sont placés de façon que des projections des échantillons (58, 59...) sur un plan parallèle auxdits plans parallèles (51, 56) ne se chevauchent pas. 14. Structure de test selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'élément tridimensionnel (18) est une sphère et ladite surface est la surface extérieure de cette sphère.