Brevet FR2622427A1 — publié le 19890505

APPAREIL COMPACT D'IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE La présente invention a principalement pour objet un appareil compact imagerie par Résonance Magnetique Nucléaire. Un appareil d'imagerie par resonance nucléaire comporte des moyens pour soumettre un corps à examiner à un champ magnétique continu intense B0 . Il comporte en outre des moyens pour soumettre ce corps A des gradients de champ magnétique continu. Il comporte enfin des moyens d'excitation magnétique haute fréquence pour faire basculer l'orientation des moments magnétiques des noyaux dn corps. Après la phase d'excitation, les moments magnétiques des noyaux se réorientent dans le sens du champ magnétique continu intense en émettant une onde de désexcitation que l'on détecte et qui sert pour la représentation d'images de coupes du corps à examiner. En général, la conformation des appareils est cylindrique circulaire. Les moyens pour sn,ïmettre le corps à l'excitation magnétique haute fréquence sont disposés coaxialement à l'intérieur des moyens pour soumettre le corps à des gradients de champ magnétique continu. Les moyens de gradients sont eux-mêmes disposés coaxialement aux moyens de production du champ magnétique continu intense. En RMN la qualité des imagos obtenues dépend notamment de l'homogénéité des champs magne tiques crées. Mais la réalisation d'un aimant ayant un chAmp homogène est d'autant plus difficile et plus coûteuse que l'aimant doit avoir une taille importante. Cela sera particulièrement vrai pour un bobinage devant soumettre le corps A examiner À un champ magnétique continu intense Bo se trouvant tout à fait à ltextérieur des autres bobinages utilisés.En effet il est connu que le produit de la puissance électrique si fournir A un aimant résistif par la masse de conducteur, lypiquement cuivre ou aluminium est proportionnelle, pour une homogénéité de champ donnée, à la quatrième puissance de son diamètre intérieur. D'autre part, la totalité de l'énergie consommée par le bobinage pour généré le champ magnétiq'ie continu intense B0 correspond aux pertes par effet Joule. Pour s'affranchir de ces pertes par effet Joule, on a réalisé des aimants supraconducteurs susceptibles de générer un champ magnétique continu intense Bg. De tels aimants doivent être plongés dans une enceinte cryogénique pour pouvoir maintenir la phase supraconductrice. Dans ce cas, la puissance électrique, une fois le champ magnétique constant B0 établi, est nulle.Par contre on est obligé de respecter la géométrie de l'aimant pour obtenir une bonne homogénéité du champ magnétique Bg. Les enceintes cryogéniques très basse température ne sont pas compatibles avec les champs variables à cause du courant induit dans les écrans métalliques du cryostat. Ainsi, l'utilisation des aimants siipraconducteurs pour générer le champ continu intense B0 n conduit dans la réalisation actuelle à des aimants de très gros diamètres. Ces diamètres sont imposés par des contraintes notamment - la taille du patient, ctest-a-dire l'espace ménagé à l'intérieur du premier bobinage - la distance entre les bobines nécessaire à leur bon fonctionnement; - tordre dans lesquelles sont disposées les bobines. La présente invention vise à rédtiire la distance entre les bobines successives pour permettre magnétique continu intense B0 plus compact, moins cher, et plus performant. Un tel aimant sera moins cher, notamment, du fait qu'on utilisera moins de matériaux supraconducteurs coûteux. De plus, l'appareil d'imagerie RMN selon la présente invention occupera moins de place, par exemple dans un hôpital. Les aimants susceptibles de générer les gradients de champ consomment de l'ordre de 90% d'energie électrique pour la création de gradients de champ, tandis rle l'ordre de 10% l'énergie électrique est perdue par effet Joule. Ainsi, il n'a jamais été envisagé de rendre supracondticteur les aimants destinés å créer des gradients de champ magnétique. L'appareil selon 4a présente. invention comporte des aimants susceptibles -de générer les gradients de champ magnétique placés à l'lntérleur sle l'enceinte cryogénique l'intérieur destinée à refroidir l'aimant susceptible de générer un champ magnétique continu intense: B0. Cette disposition permettra, principalement dans la variante de réalisation où les aimants susceptibles de générer un gradient de champ magnétique est lui- même supraconducteur, une diminution des consommations électriques de ces aimants.Mais surtottt, cette disposition permettra de diminuer les distances entre les bobinages de divers aimants, et par suite de diminuer le diamètre de l'aimant susceptible de générer un champ magnétique continu intense Bo La principale contrainte empêchant de se rapprocher les bobinages les uns des autres ou des parties métalliques provint de la nécesslté de refermer le champ magnétique.Pour qu'un champ magnétique puisse se refermer, il est nécessaire de lui laisser un espace libre de toutes pièces métaliiques. De telles pièces métalliques sont par exemple le bobinage lui-même, le blindage radiofréquence, des blindages thermiques destinés à minimiser les perte par rayonnement au niveau de l'enceinte cryogénique. Dans le dispositif selon la présente inventIon les bobinages susceptibles de générer un gradient de champ magnétique sont placés à l'intérieur de i' Ezar la présence des écrans thermiques de ladite enceinte. Avantageusement, les parois mêmes de l'enceinte cryogénique ne sont pas métalilques ce qui permet de limiter encore l'encombrement de l'appareil selon la présente invention. L'invention a principalement pour objet un appareil d'imagerie par résonance magnétique nucléaire comportant une enceinte cryogénique entourant une bobine supraconductive susceptible de générer un champ magnétique constant, une bobine susceptible de générer un gradient de champ magnétique et une antenne radiofréquence, caractérisé par le fait que la bobine susceptible de générer un gradient de champ magnétique se trouve à l'intérieur de l'enceinte cryogénique. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 est un schéma du dispositif d'imagerie par RMN de type connu - la figure 2 est un schéma d'un premier exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 3 est un schéma d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention - la figure 4 est un schéma d'un troisième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention. - la figure 5 est un schéma d'lln quatrième exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention. Sur les figures 1 à 5, on R utilisé les mêmes références pour désigner les mêmes elôments. Un appareil d'imagerie médiale par RMN comporte une pluralité de bobines concentriques places autour de l'axe 9 d'un patient 1. Pour pouvoir recevoir 1R plupart des patients, il est nécessaire d'aménager une ouverture d'un diamètre au moins égal à 550 mm. A cette distance est placée une bobine dite radiofréquence ayant pour but de soumettre le patient 1 à des séquences d'impulsions des radiofréquence et de mesurer un signal réémis en réponse par les particules du corps du patient 1. Pour ne pas perturber le bon fonctionnement des autres bobines du dispositif, on dispose après la bobine radlofréquence 2 un blindage 3.Le blindage 3 arrête le champ radiofréquence émis par la bobine 2 mais laisse pas ion riiamp constant ou de plus faible fréquence généré par les autres bobines. Ainsi, dans le dispositif d'un type connu, les bobines susceptibles de générer les gradients de champ magnétique ont un diamètre D2 supérieur ou égal à 750 mm.Les bobines de gradient permettent de différencier les réponses des particules du patient à l'excitation radiofréquence (sous l'action d'un champ magnétique continu intense B0 dont on parlera #i-dessous). L'espace peut être codé par une valeur du champ dirffirente par les bobines de gradients ce qui permet, à la rsicoption, de distinguer les modifications du signal réémis par chaque partie du patient. Le champ magnétique constant de forte intensité B0 est généré par une bobine supraconductrice .5 située coaxialement avec les bobines 2 et 4. Le diamètre D3 de la bobine 5 est par exemple égale à 1200 mm. Actuellement, on utilise des éléments supraconducteurs refroidis par de 1'héli1lm liquide à une température de 4 K. Pour maintenir une teilo température, il est impératif de limiter les pertes thermiques qui réchaufferaient la bobine 5. Cette bobine est donc entoure e par une enceinte cryogénique 6.L'enceinte cryogénique 6 comporte, d'une part, une isolation 7 destinée à minimiser le flux thermique par conduction, et d'autre part, les écrans thermiques 8 destinés à minimiser le réchauffement de la bobine fi par transmission de chaleur par rayonnement infrarouge. L'isolation 7 comporte par exemple un espace comportant un vide poussé. Sans certains exemples de réalisation, les parois d'isolations 7 sont recouvertes d'un film d'argent destinés à minimiser la transmission de rayonnement infrarouge. Les verlans thermiques 8 comportent des tôles métalliques refroidies. Fn allant du centre vers l'extérieur des cylindres la température de refroidissement augmente.Enceintes cryogéniques fi du type connu a un diamètre interne égal à 1000 mm. En effet, il n'est pas possible de rapprocher trop près la bobine de gradient 4 de l'enceinte cryogénique 6. En effet, d'une part l'enceinte 6 comporte uno isolation thermique 7 comprenant une paroi externe métallique no permettant pas de disposer à proximité la bobine de gradient 4. D'autre part, à l'intérieur même de l'enceinte cryogóniqxlo (; sont disposés les écrans thermiques 8 métallique. Les écrans thermiques 8 sont réalisés de façon à minimiser les échanges thermiques par rayonnement à travers l'enceinte cryogénique 6 et de perturber le moins possible les champs magnétiques et notamment les gradients de champs magnétiques générés par la bobine 4. Pour respecter les contraintes necessaires au bon fonctionnement, les dispositifs de type connu sont de très grandes dimensions, un diamètre de 2 mètres etant courant pour les appareils d'imagerie par RMN. Ces disposltifs posent des problèmes d'encombrement dans les salies des hôpitaux, et ce qui est plus grave, les bobines 5 susceptibles de générer le champ magnétique continu intense B0 ont un diamètre D3 important. La réalisation de tels aimants 5 est coûteuse et délicate car, il est nécessaire d'utiliser plus de matériaux supraconducteurs La quantité de matériau supreconductellr est proportionnelle au carré du rayon et le champ de fuite extérieur est proportionnel au cercle du rayon.Ce champ de fuite est nuisible vis-à-vis des contraintes d'installation. Les appareils d'imagerie par RMN comportent d'autres dispositifs par exemple des bobines de correction (shims en terminologie anglo-saxonne) qui n'ont pas eté représentées sur la figure 1. De telles bobines contribuent Aussi à l'augmentation des diamètres des bobines des aimants mis en oeuvre. Sur la figure 2, on peut voir un premier exemple de réalisation du dispositif d'imagerie par RMN selon la présente invention. Dans le dispositif selon la présente invention la bobine susceptible de générer un gradient de champ magnétique 4 est placée à l'intérieur de l'enceinte cryogénique 6 permettant l'utilisation d'une bobine supraronductrice 5 pour la génération du champ magnétique continu intense B0. Bien que cette disposition permette de limiter la consommation d'énergie de la bobine 4, cette limitation ne joue que sur les pertes par effet Joule. Or, comme il a été explif é ei ssus, la perte par effet Joule ne représente que 10% d'énergie électrique fournie à la bobine 4 susceptible de générer des gradients des champs magnétiques. En effet, 90% de l'énergie sert à créer le gradient de champ magnétique variable.Mais, en disposant les bobines 4 susceptibles de générer des gradients de champ magnétique, à l'intérieur de l'enceinte cryogénique S on limite les dimensions du dispositif d'imagerie par RMN, particulterement au niveau de la bobine 5 susceptible de générer 1ln champ magnétique continu intense Bg. En effet, en disposant la bobine 4 susceptible de générer des gradients de champ magnétique à l'intérieur de l'enceinte cryogénique 6 la paroi métallique de l'enceinte 6 ainsi que les écrans thermiques 8 peuvent avoir des diamètres inférieurs, sans pour autant perturber le retour du champ magnétique crée par la bobine 4. Avantageusement, le blindage a est disposé à l'intérieur de l'enceinte cryogénique 6 contre la bobine 4 susceptible de générer des gradients de champs magnétiques. Dans l'exemple de réalisatton Ili',qtré sur la figure 2, la bobine 4 susceptible de générer un gradient de champ magnétique est placée à l'intérieur de l'enceinte cryogénique après le premier écran thermique 8 et avant la bobine 5 susceptible de générer un champ magnétique continu intense Bo Dans l'exemple de réalisation d'un dispositif illustrée sur la figure 2 la bobine de gradient 4 a un diamètre D2 égal à 800mm la bobine 5 susceptible de générer un champ magnétique continu intense B0 ayant un diamètre D3 égal à 900 mm. Avantageusement, les parois de 1'enceinte cryogénique 6 ne sont plus métalliques mais par exemple en plastique armé de fibre de verre. Dans une variante de rénlisation l'isolant des parois de l'enceinte cryogénique 6 ne comportant plus comme isolant contre les pertes thermiques par conduction, du vide, mais par exemple, une mousse ou un plastique expansé. Ce type d'enceinte 6 est particulièrement adapté au dispositif supraconducteur travaillant à des températures ou élevées (pour un matériau supraconducteur) par exemple A 90K. Le dispositif illustré sur la figure 2 est plus particulièrement destiné à mettre en oeuvre des bobines 4 supraconductrice destinées à générer un gradient de champ magnétique Sur la figure 3, on peut voir une variante de réalisation d'un appareil d'imagerie par RMN selon la présente invention, dans laquelle les bobines tl susceptible de générer un gradient de champ magnétique sont placées entre les parois de l'enceinte cryogéniques 6 et les écrans thermiques 8. Dans ce cas le diamètre D2 intérieur des bobines 4 susceptibles de générer un gradient de champ magnétique est égal à 800 mm ; le diamètre D3 la bobine 5 susceptible de générer un champ magnétique continu intense Bo est égale à 900 mm.Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, la bobine 5 susceptible de générer un champ magnétique continu intense Bo est relativement bien isolé par rapport à la bobine 4 susceptible de générer des gradients de champ magnétique. Ainsi, dans une variante de réalisation la bobine 5 est une bobine supraconductrice tandis que la bobine 4 est une bobine à conduction ohmique. En effet, qu'une faible partie énergie fournie à la bobine 4 est dissipée par effet Joule. Cette énergie est évacuée par le fluide de réfrigeration de lteneeinte cryogénique 6, par exemple de l'azote liquide.L'utilisation d'une bobine 4 à conducteur ohmique permet de réduire le coût total de l'appareillage RMN, tout en augmentant ces performances en diminuant le diamètre de la bobine 5 susceptible de générer un champ magnétique continu intense il faut remarquer que la résistivité des matériaux comme par exemple le cuivre diminue avec 1R température. Ainsi, les pertes par effet Joule, dans le cuivre à 90 K sont faibles et pour des débits de fluide de réfrigération suffisants, une bobine supraconductrice et une bobine a rp-sistives peuvent se trouver dans la même enceinte cryogénique fi. Sur la figure 4, on peut voir un exemple particulièrement avantageux de réalisation l'enceint,' cryogénique 6 ne comporte pas d'écran thermique. Une telle enceinte cryogénique présente des pertes supérieures qui une enceinte cryogénique classique mais permet de réduire encore le diamètre de bobine utilisée. Par exemple , la bobine 4 susceptible de générer des gradients de champ magnétique a un diamètre D2 égal à 750 mm la bobine 5 susceptible de générer un champ magnétique continu intense Bo a un diamètre 1)3 égal À 800 mm. Avantageusement, dans ce cas, aussi bien la bobine 4 que la bobine 5 sont des bobines supraconductrices. Dans une variante de réalisation, la bobine 4 susceptible de générer des gradients de champs magnétiques a le mème diamètre que dans des réaliqations de l'art antérieur, tandis que la bobine 5 susceptible de générer un champ magnétique intense continu B0 a un diamètre qui a été réduit. Sur la figure 5, on peut voir un exemple de réalisation du dispositif selon la présente invention comportant des écrans thermiques 8 uniquement entre le# parois externes de l'enceinte cryogénique 6 et la bobine 5 susceptible de générer un champ magnétique continu intense B0. Par parois externes de l'enceinte cryogénique 6 on entend les parois qui ne sont pas orientées vers le patient 1. Ainsi, on réduit les pertes thermiques sur la plus grande surface de enceinte cryogénique 6 Bans pour autant perturber la propagation des gradients vers le patient 1 par l'interposition d'écrans thermiques métalliques. Toutefois, il est possible duriliser le blindage radiofréquence 3, de toute façon nécessaire, comme écran thermique 8. Les exemples des figures 4 so1 5 ont les mêmes diamètres et positions des bobines 2,4 et 5. L'invention s'applique notamment à la réalisation d'images internes de corps pour l'analyse non destructive. L'invention s'applique particulièremrnt A I 'imagerie médicale par RMN. REVENDICATIONS 1. Appareil d'imagerie par résonance magnétique nucléaire comportant une enceinte cryogénique (6) entourant une bobine (5) supraconductrice susceptible de générer un champ magnétique constant B0, une bobine (4) susceptible de générer un gradient de champ magnétique et une antenne radiofréquence (2), caractérisé par le fait que la bobine (4) susceptible de générer un gradient de champ magnétique se trouve à l'intérieur de enceinte cryogénique (6). 2. Appareil selon la revendication 1, comportant des écrans thermiques (8) disposés à 1'1ntVrieur de l'enceinte cryogénique, caractérisé par le Fait que lah bobine (4) susceptible de générer un gradient de champ magnétique se trouve entre les écrans thermiques (8) et In paroi de l'enceinte cryogénique. 3. Appareil selon la revenelication 1, comportant des écrans thermiques (8) disposés à l'lnte.rieur de l'enceinte cryogénique, caractérisé par le fait que la bobine (4) susceptible de générer un gradient de champ magnétique est entourée par les écrans thermiques (8). 4. Appareil. selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la bobine (5) susceptIble de générer un champ magnétique constant B0 et la bobine (rl) s#'s#e.ptibIe de générer un gradient de champ magnétique sont placées directement contre une isolation (7) minimisant la conduct ion thermique de l'enceinte cryogénique (6). 5. Appareil selon une des.revendications 1, 2, 3, ou 4 caractérisé par le fait que la bobine (4) susceptlble de générer un gradient de champ magnétique est une bobine supraconductrice. 6. Appareil selon une des revendications 1, 2, 3, cu 4 caractérisé par le fait que la bobine (rl) susceptible de générer un gradient de champ magnétique ost réalisée en cuivre ou alliage de cuivre. 7. Appareil selon une des revendications l, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que i'isolatlo'i (7) minimisant la conduction thermique de l'enceinte cryogénique (6) comprend une zone dont les parois sont métallisées, cette zone présentant un vide poussé. 8. Appareil selon une des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'isolation (7) minimisant la conduction thermique de enceinte cryogénique (6) comprend de la mousse plastique. 9. Appareil selon une des revendications 1, 2, 3; 4, 5 ou 6, caractérisé par le fait que l'isolation (7) minimisant la conduction thermique de l'enceinte cryogénique (6) comprend du plastique expansé. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'isolation (7) minimisant la conduction thermique de l'enceinte cryogénique (6) ne comporte pas de pièce métallique Afln de ne pas perturber la propagation du champ magnétique 11. Appareil selon une des revendications 1,2,3,4,5,6,7,8,9 ou 10, caractérisé par le fait qu'il comporte un blindage (3) radiofréquence situé dans l'enceinte cryogénique (6) le blindage (3) étant refroidi de façon à constltuor un écran thermique pour limiter les pertes thermiques par rayonnement. 12. Appareil selon une des revendications 1,4,5,6,7,8,9,10 ou 11, caractérisé par le fait qu'il comporte des écrans thermiques (8) disposés entre la bobine (5) susceptible de générer le champ magnétique constant B0 et les parois externes de l'enceinte cryogénique (6).