Brevet FR2616911A1 — publié le 19881223

ANTENNE DE SURFACE POUR APPAREIL D'IMAGERIE PAR RéSONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE la présente invention a pour objet une antenne de surface pour un appareil d'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Elle trouve son appllcation plus particulièrement dans le domaine médical où les appareils de RMN sont utilisés a des fins de diagnostic. Un appareil de RMN comporte essentiellement un aimant pour produire un champ homogène intense dans une zone d'examen. Un corps à examiner, placé dans cette zone, voit l'orientation des moments magnétiques de ses particules, de ses protons, s'aligner avec le champ magnétique, dit pour cette raison champ orientateur. Dans cette situation le corps est alors soumis à une excitation éléctromagnétique radiofréquence. Cette excitation est émise à une fréquence de résonance dépendant de l'intensité du champ orientateur et du rapport gyromagnétique des particules à exciter. Cette excitation tend à faire basculer l'orientation des moments magnétiques. Lorsque cette excitation cesse les moments magnétiques se réalignent avec le champ orientateur en cédant l'énergie qu'ils ont acquis lors de l'excitation. Le signal de désexcitation qui en résulte est capté et est utilisé pour analyser la composition du corps examiné. D'autres dispositifs sont en outre mis en oeuvre dans un tel appareil d'imagerie par résonance magnétique nucléaire. Par exemple des bobines de production de champs supplémentaires sont utilisées pour coder magnétiquement l'espace, de manière à discriminer dans le signal de désexcitation, en commun avec des méthodes de reconstruction d'images, des signaux utiles à la représentation d'une image d'une coupe du corps étudié. Mais ces moyens annexes ne font pas partie directement de l'invention. De manière à utiliser au mieux le phénomène de résonance magnétique, l'antenne qui sert à émettre et/ou à recevoir les signaux électromagnétiques d'excitation -désexcitation est accordée en fréquence à la fréquence de résonance de la machine. En fonctionnement l'ensemble constitué par l'antenne et par le corps possède alors un facteur de surtension Q dont la valeur est directement proportionnelle à la self inductance de la boucle formant l'antenne et à la fréquence de résonance. Cette valeur est inversement proportionnelle à la résistance totale qui s'oppose au passage du courant dans cette antenne.Cette résistance totale est équivalente à la résistance ramenée par le corps examiné (celul-ci constitue la charge lors de l'excitation, et constltue l'impédance interne du générateur lors de la mesure du signal de désexcitation), additionnée à la résistance de la boucle résonante proprement dite et à une résistance annexe, dépendant d'un coefficient de perte dans des capacités d'accord de résonance de la boucle. On sait que la résistance présentée par le corps examiné augmente avec le carré de la fréquence de résonance utilisée. En outre la résistance de ce corps examiné augmente aussi avec la puissance cinquième du diamètre de la région à exciter. Dans les machines de RMN dites corps entier une antenne, généralement à barres rayonnantes, entoure le corps à examiner, celul d'un patient, et, A fréquence de résonance donnée, la résistance présentée par le patient est telle que les autres composantes de résistance affectent peu le facteur de surtension. De ce point de vue, les soins apportés à la réallsation de l'antenne ne sont pas critiques. Par contre, lorsqu'on utilise des petites antennes, dites de surface, l'excitation appliquée et/ou le signal de désexcitation mesuré, se développent dans une zone réduite proche de l'antenne.Dans ces conditions la résistance patient decroft fortement, de même d'ailleurs que la valeur de l'énergie du signal total reçu. On stest alors posé la question de maintenir sensiblement constant le rapport signal à bruit, étant donné qu'il apparait que quand la dimension de l'antenne décroit le signal dé croit plus vite que le bruit. Dans l'invention on remédie à cet inconvénient en réalisant une antennne qui fonctionne à une température de supraconductlvité. En agissant ainsi on annule totalement la contribution à l'amortissement du facteur de surtension lié à la résistance propre de l'antenne. I1 en résulte que le rapport de la résistance du patient à la résistance totale à prendre en compte passe d'environ 10 % à environ 50 - 60 %. Le rapport signal à bruit est alors approximativement amélioré dans un rapport cinq. L'invention a donc pour objet une antenne de surface pour un appareil d'imagerie par résonance magnétique nucléaire caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour être portée à une température de supraconductivité. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Elles montrent - Figure 1: un appareil de RMN muni d'une antenne selon l'invention; - Figure 2 : un exemple de réalisation d'une antenne selon l'invention; - Figure 3 : la particularité de montage d'une antenne de l'invention dans un circuit de réception. La figure 1 montre un appareil de RMN munie d'une antenne selon l'invention. Cet appareil comporte essentiellement un aimant 1 pour produire un champ magnétique homogène et intense Bo dans une zone, située au dessus par exemple d'un plateau 2, où est placé le corps 3 d'un patient à examiner. Dans l'exemple représenté l'appareil comporte une antenne à barres rayonnantes 4-7 alimentées par un générateur d'excitation 8 qui débite dans un circuit d'accord 9. Le signal de désexcitation est içi prélevé par une antenne de surface 10 ou 11, placée à proximité des régions du corps 3 où l'examen doit être particulièrement entrepris. Le signal détecté est acheminé par une connexion 12 vers des moyens 13 de réception et de traitement.Comme il est connu les moyens de traitement peuvent comprendre des moyens de mise en oeuvre d'un procédé de reconstruction d'une image d'une coupe du corps 3 selon une orientation choisie de manière à la représenter ultérieurement sur un dispositif de visualisation 14. A cette fin l'appareil comporte en outre des bobines de gradient 15 susceptibles d'ajouter au champ Bg des codages magnétiques dépendant des coordonnées de espace dans les zones d'examen. Les bobines de gradient sont alimentées par un générateur 16 d'impulsions de gradient. D'une manière connue le générateur d'excitation 8, le générateur 16, les moyens de réception 13, et le dispositif de visualisation 14 fonctionnent sous la direction d'un séquenceur 17. Bien que les antennes de surface soient présentées içi dans une configuration uniquement destinée à la réception il est tout à fait envisageable d'installer un duplexeur dans la connexion 12 et de relier le générateur 8 à ce duplexeur de manière à ce que les antennes 10 ou 11 puissent servir lors de l'excitation et lors de la détection du signal de désexcitation. La figure 2 montre une réalisation d'une antenne selon l'invention. La figure 3 montre le schéma fonctionnel de raccordement de cette antenne. Dans l'exemple l'antenne comporte essentiellement une boucle 18 qui résonne par l'intermédiaire de capacités 19 A la fréquence de résonance de l'appareil. Le signal détecté par la boucle est transmis à un circuit préamplificateur 20 puis, par la liaison 12, au circuit de réception et de traitement 13. La boucle 18 est réalisée dans une enveloppe 21 elle même en forme de boucle constituée en un matériau isolant électriquement et isolant thermiquement. D'une manière . préférée, l'enveloppe est consituée en un plastique expansé, du type polystyrène armé avec des fibres (de verre), ou par exemple en une mousse de polyuréthane. L'enveloppe 21 peut aussi être réalisée en amiante.L'enveloppe est alongée, elle est souple pour pouvoir être formée selon la boucle à réaliser. Elle a une section, perpendiculaire à sa plus grande longueur, en forme générale de rectangle. Sur une des bases du rectangle est fixée une connexion conductrice 22 en un matériau susceptible de présenter un effet de supraconductivité lorsqu'il est refroidi à une température adéquate. Le matériau de la connexion 22 est de préférence à base d'oxyde de cuivre CuO et il est activé avec des terres rares. Il est par exemple un Na Ba Cu O, ou bien un La2x Srx CuO4 où x > 0,3, ou encore un Y Ba Cu3 09-y > ou enfin un La Cu1 ' ' 01-y vaut quelques pourcents, de l'ordre de 2%. Dans la partie creuse de l'enveloppe 21 qui n'est pas occupée par la connexion 22 circule un fluide de refroidissement 23 qui, pour les exemples de matériaux supraconducteurs cités ci-dessus, peut être de l'azote liquide contenu dans une bonbonne 24. La bonbonne 24 est reliée par un conduit 25 à l'intérieur de l'enveloppe 21. Un robinet 26 permet de régler le débit 29 ainsi introduit à une extrémité de l'enveloppe 21. A l'autre extrémité de l'enveloppe 21 un robinet 27 permet de laisser s'échapper l'azote tout en contrôlant la pression dynamique de l'écoulement, de telle façon qu'en tout endroit le fluide se trouve sous une forme diphasique (liquide - gaz). Le débit est ajusté de manière à compenser l'augmentation de température de l'antenne provoquée par l'environnement extérieur dans lequel l'antenne se trouve.La régulation de débit peut être assuré par une vanne 26 asservie à un capteur de température placé dans le robinet 27. A température plus élevée, le refroidissement peut aussl être assuré par un circuit fermé au fréon. Le phénomène de supraconductivité est sensible à l'existence d'un champ magnétique dans lequel baigne le conducteur 22. En pratique la courbe de détermination. de la température critique, à laquelle le matériau utilisé devient supraconducteur, montre une décroissance de cette température critique en fonction de l'augmentation du champ magnétique. Plus le champ magnétique est fort plus la température de supraconductivité est faible, et plus cette température devlent difficile à atteindre. On s'est rendu compte cependant que seule les composantes de champ magnétique, orientées parallèlement aux plans de supraconductivité des cristaux du matériau utilisé pour constituer la connexion étaient critiques.Dans une direction normale à ces plans de supraconductivité, le champ magnétique critique, au delà duquel aucun effet de supraconductivité n'est même plus envisageable, était très fort: de l'ordre de 90 Teslas. Autrement dit il n'est pas gênant. A l'opposé la composante critique de ce champ, parallèlement aux plans supraconducteurs est faible : de l'ordre de quelques Gauss. Dans l'invention on s'est rendu compte qu'en définitive les plans supraconducteurs s'organisent tous seuls, à condition d'utiliser pour la connexion 22 , un feuillard constitué d'une poudre, frittée ou non, et cuite. Le choix d'une poudre augmente la statistique favorable de continuité des plans supraconducteurs des grains du matériau les uns avec les autres.De cette manière il existe toujours un cheminement supraconducteur par lequel tous les courants électriques qui circulent dans l'antenne s'engouffrent. De manière à augmenter encore cet effet on peut utiliser des alliages, indiqués ci-dessus avec leurs dopants, cristalisés dans des structures tétragonales. De cette manière les plans de supraconductivité des grains se couplent les uns aux autres efficacement. Le passage du courant d'un plan de supraconductivité d'un graoin, à un autre plan d'un autre grain s'effectue sous la forme d'un effet tunnel. Avec les défauts de plan de la structure, le courant peut passer d'un plan à l'autre. La figure 3 montre une particularité- de fonctionnement de l'antenne selon l'invention. Dans celle ci le préamplificateur 20 est inclus dans une enceinte 28 maintenue à la température de supraconductivité. Ce préamplificateur comporte essentiellement un transistor à effet de champ 29, recevant sur sa grille le courant détecté, et réemettant sur son drain 30, le signal détecté sous une forme amplifiée. D'une manière connue le transitor 29 est polarisé par un circuit de polarisation 31 à une tension Vcc. Le circuit 31 comporte de préférence deux inductances 32-33 monté en T avec une capacité 34 pour découpler l'alimentation du signal haute fréquence. Ce signal haute fréquence est introduit à l'entrée des moyens de réception 13.Cette manière de réaliser l'antenne a deux avantages, d'une part le préamplificateur 20 est placé sur l'antenne, et aucun bruit de cable ne peut intervenir entre elle et le préamplificateur. D'autre part ce préamplificateur fonctionne en mode supraconducteur et n'apporte lui-même pas de bruit. L'avantage de la solution proposée réside dans le choix d'une unique source de refroidissement 24 utile au maintien à la température de supraconductivité de l'antenne et du préamplificateur 20 dans une même enceinte 28. Dans la pratique le montage des capacités telles que 19 et du transistor 29 dans l'enceinte 28, peut être exécuté en les plaçant aux endroits adéquats à l'intérieur de l'enveloppe 21 de l'enceinte 28. On a pu mesurer que la puissance de bruit du préamplificateur est ainsi divisé par quatre. De manière préférée le préamplificateur ainsi refroidi est un préampllficateur qui fonctionne par effet Josephson ou assimilé. Avec les matériaux supraconducteurs désignés plus haut, la température de supraconductivité est supérieure à la température de liquéfaction de l'azote à presslon ambiante. Il en résulte que l'on peut refroidir l'antenne de l'invention avec un fluide très peu cher. REVENDICATIONS 1 - Antenne (10) de surface pour appareil (1-17) d'imagerie par résonance magnétique nucléaire caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (21-29) pour être portée à une température de supraconductivité. 2 - Antenne selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle comporte un conducteur sensiblement formé en au moins une boucle en un matériau à base d'oxyde de cuivre activé aux terres rares. 3 - Antenne selon la revendication 2 caractérisée en ce que les terres rares sont du Baryum, du Lanthane, du Strontium, ou de l'Yttrium. 4 - Antenne selon la revendication 2 ou la revendication 3 caractérisée en ce que le matériau du conducteur est cristallisé selon une structure tétragonale. 5 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que les plans de supraconductivité des cristaux formant le matériau conducteur de la boucle sont orthogonaux à un champ orientateur de l'appareil. 6 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit de refroidissement à l'azote llquide. 7 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe (21) isolante thermiquement et électriquement qui contient le conducteur, et un fluide de refroidissement. 8 - Antenne selon la revendication 7 caractérisée en ce que l'enveloppe est en polystyrène ou en polyuréthane. 9 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisée en ce qu'elle est directement couplée à un préamplificateur à faible bruit du type supraconducteur, refroidi par le même circuit de refroidissement que l'antenne. 10 - Antenne selon la revendication 9 caractérisée en ce que le préamplificateur est du type à effet Josephson. 11 - Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisée en ce que le fluide de refroidissement de l'antenne enveloppe cette antenne sous une forme diphasique liquide-gaz.