Brevet FR2672688A1 — publié le 19920814

PROCEDE D'EXCITATION D'UN SPECTROMETRE A RMN PERMETTANT LA SUPPRESSION DU SIGNAL DE SOLVANT DESCRIPTION La présente invention a pour objet un procédé d'excitation d'un spectromètre à résonance magnétique nucléaire permettant La suppression du signal de soLvant. ElLe trouve une appLication dans des domaines aussi divers que La chimie, La biochimie, La neurobiophysique, La biophysique, La bioLogie, Le biomédicaL, etc... La technique de La résonance magnétique nucléaire (RMN en abrégé) est aujourd'hui bien connue. Elle constitue un outil remarquabLe pour L'étude de La matière condensée. Cependant, elle n'est pas sans défauts Lorsqu'iL s'agit d'anaLyser des composés dissouts en très faible concentration dans un soLvant comprenant Lui aussi des noyaux à spins. C'est le cas par exemple des substances en soLution aqueuse où Les protons de L'eau viennent saturer les divers équipements de mesure. De nombreuses méthodes ont été déveLoppées pour atténuer, voire supprimer, la partie du signal correspondant à la contribution du soLvant et ne Laisser subsister que le signal Lié au soluté. Ces méthodes sont dites à "suppression du signal de soLvant" (ou SSS en abrégé). Elles consistent à appliquer à la solution une série d'impulsions de champ radiofréquence dont Le nombre, la durée et la séparation déterminent un spectre d'excitation dépourvu de raie à La fréquence de résonance du solvant. On connaît ainsi une séquence dite "2-1-4" donnant de bons résuLtats. Elle est décrite dans l'article de A.G. REDFIELD et al., publié dans la revue "Journal of Magnetic Resonance", vol. 19, p. 114 (1975). Cependant, cette technique présente un inconvénient lié à l'existence d'un déphasage dans le signal de mesure, déphasage qui dépend de la fréquence et qui entraîne une ondulation de La ligne de base du spectre RMN obtenu. Ce phénomène a été décrit dans un article de Pierre PLATEAU, Christian DUMAS et Maurice GUERON intitulé "Solvent-Peak Suppressed NMR : Correction of Baseline Distortion and Use of Strong-PuLse Excitation", publié dans la revue "Journal of Magnetic Resonance, vol. 54, 46-53, (1983), pp. 46-53. Pour remédier à cet inconvénient, iL a été proposé, dans cet article, ainsi que dans un article de Pierre PLATEAU et Maurice GUERON intitulé "Exchangeable Proton NMS without BaseLine Distorsion, Using New Strong PuLse Sequences" pubLie dans La revue "The JournaL of the American ChemicaL Society", 1982, 104, pp. 7310-7311, d'utiLiser une excitation particuLière constituée de deux impuLsions intenses et brèves, à La fréquence de résonance du soLvant et déphasées L'une de L'autre de 1800. La figure 1 annexée montre ainsi deux impulsions Il et I2, de durée t0, dont les fronts de montée sont séparés de La durée Tg, l'intervalle entre impulsions étant ainsi T0-t0. IL faut comprendre que ces impulsions rectanguLaires représentent L'enveLoppe d'une impuLsion radiofréquence, Le signe négatif de L'impuLsion I2 représentant symboLiquement une impuLsion radiofréquence de phase opposée à celle de l'impulsion I1. Cette séquence d'excitation est dite "Jump and Return" (ou "saut et retour") soit JR en abrégé, pour des raisons qui apparaîtront mieux en liaison avec la figure 2. Cette figure 2 représente, sur la ligne du haut, un référentiel Oxyz trirectangle, permettant de repérer L'orientation des divers spins nucLéaires. Ce référentieL n'est pas fixe mais tourne autour de L'axe Oz à une vitesse qui est celle de la précession des spins du solvant lorsqu'un champ statique Hst est appLique, paralLèLement à Oz. Dans Le référentieL tournant, apparaît un champ statique qui s'oppose à Hst et Le compense exactement pour Les spins du soLvant. Par conséquent, dans ce référentieL, L'orientation des spins du solvant est fixe en L'absence de champ radiofréquence. Pendant L'excitation radiofréquence, Les spins du soLvant tournent autour du champ radiofréquence que L'on suppose Le Long de L'axe Ox de ce même référentieL. Toujours sur La figure 2, La Ligne du bas montre La séquence d'excitation JR. Selon cet art connu, et comme toujours en RMN, on soumet La solution à analyser en permanence au champ magnétique statique Hst dirigé suivant Oz, ce qui a pour effet de créer une poLarisation des spins nucléaires solvant et soluté) le Long de ce champ (donc le Long de L'axe Oz) (trait fort). On applique à la solution un premier champ magnétique radiofréquence (Hrf)1 perpendiculaire au champ statique et dirigé suivant Ox ; ce champ peut être engendré par un enroulement d'axe perpendicuLaire à Oz. Ce champ possède une fréquence égaLe à La fréquence W de résonance du solvant une amplitude très grande et une phase qui détermine L'axe Ox ci-dessus.On maintient ce premier champ radiofréquence (Hrf)1 pendant une durée t0 pour constituer la première impul- sion d'excitation I1 ; cette impulsion a pour effet de faire basculer tous les spins nucléaires de 'in/2. Ces spins se retrouvent donc alignes selon L'axe Oy. Cette première phase est illustrée dans la colonne A de la figure 2. On laisse ensuite la solution, pendant un intervalle de temps T0-t0, sous le seul effet du champ magnétique statique Hst, ce qui a pour effet de laisser pr-cessionner tous les spins autour du champ statique Hst dans Le plan équatorial xOy. Les spins liés au solvant précessionnent à la fréquence W et les spins liés au soluté à Leur fréquence relative propre w comptée par rapport à W. Les spins du solvant restent donc dirigés selon Oy, par hypothèse, et les spins du soluté présentent peu à peu un décalage angulaire 0 par rapport aux spins du solvant. C'est ce qui est représenté dans la colonne B où l'on voit l'orien- tation des spins dans Le plan xOy. On applique ensuite un second champ magnétique radiofréquence (Hrf)2 de mêmes caractéristiques de direction, amplitude et fréquence que le champ (Hrf)1 mais de phase opposée ; on maintient ce second champ (Hrf)2 pendant la même durée t0 pour constituer une seconde impulsion d'excitation I2, ce qui a pour effet de faire rebasculer les spins de I2 ; ceci ramène les spins du solvant selon Oz, c 'est-à-dire parallèlement au champ magnétique statique Hst et ramène tous les spins du soluté dans le plan xOz. C'est ce qui est représenté schématiquement dans la colonne C. Ainsi, cette séquence d'excitation a pour effet global, par le mécanisme de saut de l'aimantation et de retour ("Jump and Return") de séparer angulai- rement les spins, ceux du solvant restant alignés selon Oz sur le champ statique Hast, ceux du soluté se trouvant décalés par rapport à Oz d'un certain écart angulaireo(. Pour une certaine fréquence relative wmax, Le décalage angulaire dans le plan équatorial xOy est de / 2 et, après La seconde impulsion, Les spins correspondants sont alignés selon Ox. Après cette séquence d'excitation, on pourra détecter un signal électrique induit par la précession des spins du soluté autour du champ statique Hst, ce signal étant dépourvu de composante Liée au solvant. En outre, ce signal présentera un maximum pour les spins les plus écartés de La direction du champ statique, ce qui est le cas des spins dont la fréquence a été désignée par Wmax. Il restera à traiter ce signal électrique pour obtenir le spectre RMN du soluté. Ce traitement ne fait pas partie de L'invention. Comme tous les spins du soluté sont initialement dans le plan xOz, leurs projections sur le plan transversal xOy sont toutes confondues avec L'axe Ox. Or, c'est cette composante transversale des spins qui est capable d'induire un signal électrique dans un enroulement de détection d'axe transversal. Les phases des différents signaux électriques induits seront donc toutes Les mêmes, quelle que soit la fréquence w. On a donc bien remédié aux inconvénients de la technique antérieure qui introduisait un déphasage. Si cette méthode présente un avantage cer tain, eLle souffre néanmoins d'un inconvénient dans certains cas. En effet, elle nécessite que les deux champs radiofréquence appliqués selon Ox sous forme d'impulsions soient de grande amplitude. Si ce n'est pas le cas, on ne retrouvera pas exactement les spins dans le plan xOz à la fin de la séquence d'excitation et on observera un déphasage sensiblement lineaire en fonction de la fréquence. Par ailleurs, la fréquence pour laquelle le signal de mesure est maximum ne sera plus tout à fait la fréquence Wmax obtenue lorsque l'amplitude d'excitation est très grande. Le caractère fini de l'amplitude du champ d'excitation entraîne donc un double défaut, l'un de phase et l'autre d'amplitude, affectant le signal électrique de mesure. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle tient compte de l'amplitude des champs radiofréquence appliqués pour ajuster la durée des impulsions et l'intervalle entre elles. Comme on Le comprendra mieux par la suite, la duree t des impulsions est allongée par rapport à la durée t0 théorique valable Lorsque l'amplitude est très grande et la durée T-t de L'intervalle est raccourcie par rapport à La durée theorique T0-t0. L'invention perfectionne ainsi la technique JR en permettant d'utiliser des champs radiofréquence d'amplitude limitée, ce qui est plus conforme à la pratique. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un procédé d'excitation d'un spectromètre à RMN à suppression du signal de solvant, qui est du type JR rappelé plus haut et qui est caractérisé par le fait que la durée t des deux impulsions de champ radiofréquence est telle que les deux basculements de l'aimantation résultant de ces impulsions sont supérieurs à Iri 2 d'une première quantité et que la durée T-t de l'intervalle entre impulsions est telle que le décalage angulaire des spins du soluté de fréquence relative wmax par rapport aux spins du solvant pendant L'intervalle entre impulsions est inférieur à lY/2 d'une seconde quantité, de telle sorte qu'à La fin de l'excitation, tous les spins du soluté sont situés dans un même plan défini par le champ magnétique statique Hst et la direction d'application du champ radiofréquence, ce qui minimise toute erreur de phase dans le signal électrique prélevé, ceux des spins du soluté qui ont la fréquence relative Wmax se trouvant encore décalés angulairement de at/2 par rapport au champ magnétique statique et conduisant à un maximum de signal, ce qui minimise toute erreur d'amplitude dans le signal électrique prélevé. Ces deux différences (t-t0) d'une part, et (T-To) d'autre part, s'expriment de préférence en fonction d'un même paramètre p égal au rapport t0/T0 entre la durée t0 d'une impulsion de champ radiofréquence qui serait apte à provoquer un basculement égal à 1tl2 et la durée To qui correspond à un décalage angulaire égal à t/2 pour la fréquence relative Wmax conduisant à un maximum de signal (wmax(To-to)=#2). Selon une première variante, la durée t des impulsions correspond sensiblement à un basculement de l'aimantation voisin de (lY/2)+p et la durée T-t de l'intervalle correspond sensiblement à un décalage angulaire voisin de C?r/2)-2p. Selon une autre variante, la durée t des impulsions correspond à un basculement de l'aimantation voisin de (072)/(1-2p/ > ) et la durée T-t de l'intervaL- le entre Les impulsions est telle que Le décalage angulaire cZ est voisin de (t/2)S1-p/3-pt/(1-2Rrp)3 Toute autre combinaison est possible selon Le résultat souhaité : déphasage rigoureusement nul ou inférieur à un certain seuil, décalage de la fréquence du signal maximum rigoureusement nul ou inférieur à un seuiL. Enfin, dans un mode de réalisation à écho de spin, la durée t des impulsions est choisie telle que Le basculement de L'aimantation est égal à (#/2) / (1-(2/#)p-q). De toute façon, les caractéristiques et avantages de L'invention apparaîtront mieux à la lumiè- re de La description qui va suivre. Cette description porte sur des exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement Limitatif et elle se réfère à des dessins annexés sur Lesquels - La figure 1, déjà décrite, illustre une séquence d'excitation connue, du type JR, - la figure 2, déjà décrite, illustre les phénomènes physiques mis en jeu lors de L'excitation connue de la figure 1, - La figure 3 illustre l'origine des défauts du procédé connu et montre comment Le procédé de L'invention corrige ces défauts, - la figure 4 montre une séquence d'excita tion conforme à l'invention, - la figure 5 montre les variations d'ampli tude du signal électrique prélevé en fonc tion de la fréquence relative (w/wmax) pour différentes valeurs du paramètre P, - la figure 6 montre les variations de phase du signal électrique prélevé en fonction de la fréquence relative (W/wmax) pour différentes valeurs du paramètre p. Dans la description qui va suivre, on prendra comme paramètre p décrivant l'amplitude du champ radiofréquence, le rapport entre la durée t0 d'une impulsion qui provoquerait un basculement de 972 de l'aimantation du solvant et l'intervalle Tg correspondant à une précession de > /2 pour la fréquence wmax, sachant que cet intervalle est compte entre les deux fronts avant des impulsions. Ainsi, lorsque la puissance du champ (ou, si l'on veut, son amplitude), est infiniment grande, t0 est nul et le paramètre p est également nul. Le paramètre p croît lorsque le champ n'est plus infiniment grand.Au maximum p est égal à 1, lorsque t0 est égal à Tg. Le paramètre p est donc compris entre O et 1, selon la puissance plus ou moins faible du champ radiofréquence appliqué. Selon des considérations classiques, la durée t0 est égale à t/2gHrf où vt est Le rapport gyromagnétique en question et Tg est egale à t/(2wmax). La figure 3 permet d'illustrer l'origine du déphasage et de L'erreur d'amplitude observés lorsque L'amplitude du champ radiofréquence d'excitation est faible et le moyen de remédier à ce double défaut selon l'invention. La description qui suit est une approximation du premier ordre en p. Elle se réfère toujours à un repère Oxyz mobile autour du champ statique Hst dirigé selon Oz et tournant à la fréquence W de précession des spins nucléaires du solvant. Le champ radiofréquence à la fréquence W, qui constitue l'excitation, est supposé appliqué, comme dans l'art antérieur, par circulation d'un courant dans un enroulement d'axe perpendiculaire à Oz. La fréquence de précession w des spins nucléaires du soluté est comptée à partir de la fréquence de précession W des spins nucléaires du solvant. Le trajet suivi par les spins dans Le repère mobile Oxyz est représenté par la ligne en pointille lorsqu'il s'agit de la technique antérieure JR et en trait plein lorsqu'il s'agit de l'invention. Lorsque le premier champ (Hrf)1 est appliqué selon Ox, Le champ magnétique résultant, composé avec le champ statique résiduel dirigé selon Oz, est dirigé selon une direction OE1 faisant un angle p avec Ox (si (Hrf)l était infini, le champ résultant serait dirigé selon Ox). L'application de la première impulsion I1 fait basculer L'aimantation, non pas autour de Ox mais autour de OE1 de sorte que les spins se retrouvent dans le plan xOy, avec une direction faisant un angle -p avec Oy (et non plus le long de Oy). Les spins du soluté précessionnent dans le plan xOy (relativement aux spins du solvant qui sont dirigés selon Oy). Lorsque la seconde impulsion I2 est appli quée, avec une phase opposée (le champ est donc dirigé selon -Ox), la résultante magnétique est dirigée selon la direction opposée à OE2 qui fait un angle -p avec Ox. C'est autour de cette direction OE2 que l'aimantation rebascule (et non rigoureusement autour de Ox). Si, après la seconde impulsion, L'aimantation propre au solvant a bien repris sa direction Oz, les spins I du soluté, qui sont à la fréquence relative wmax et qui, normalement, auraient dû se trouver alignés selon Ox ont, en réalité, dépassé le plan xOz et se retrouvent sensiblement dans le méridien -p par rapport à xOz. La phase des spins (ou si l'on veut la phase des signaux électriques que leur précession va engendrer dans l'enroulement de détection), représentée par la projection des spins dans le plan transversal xOy, n'est donc pas nulle. ELle est de -p pour les spins tels que I et elle dépend linéairement de la fréquence, sous la forme -pw/wmax. Les spins qui vont conduire à un signal maximum sont Les spins tels que J qui terminent leur mouvement dans le plan équatorial xOy. Juste avant l'application de la seconde impulsion ils avaient la phase -p. Ils avaient donc subi un décalage angulaire de précession iÙ2-p-p entre les deux impulsions, alors que les spins tels que I avaient précessionne de @ 2-p. La fréquence w 'max (correspondant au maximum du signal) est donc Liée à la fréquence théorique Wmax par la relation (W'max-wmax)/wmax=-P(4/#-l)/(l-p). L'utilisation de champs à amplitude finie pour réaliser l'excitation introduit donc non seulement un déphasage proportionnel à p mais encore un décalage en fréquence du maximum de signal, proportionnel à p/(1-p). La figure 3 montre également comment l'inven tion remédie à ce double défaut. La ligne en trait fort montre symboliquement le trajet emprunté par les spins dans le procédé d'excitation de l'invention. La séquence des impulsions (I1 de durée t, intervalle T, I2 de durée t) est représentée sur la figure 4. Selon l'invention, la première impulsion I1 est allongée. ce qui fait basculer l'aimantation sous le plan xOy. L'angle de basculement est sensiblement p+5t12 (au lieu de /2). Les spins du soluté correspondant à wmax précessionnent ensuite dans un plan horizontal situé sous le plan équatorial. L'intervalle T entre impulsions est raccourci de telle sorte que ltecart angulaire dû à la précession est diminue. Après la seconde impulsion, les spins I correspondant à wmax se retrouvant alignés selon Ox. Cette description qualitative de L'invention permet de comprendre qu'il faut allonger t pour donner au basculement une valeur supérieure à #/2 et, au contraire, diminuer T pour reduire La précession en-dessous de > /2. Des considérations et des calculs théoriques qui sortiraient du cadre de cette description recommandent une durée t égale à to/(1-2ptit-) et un intervalle T égal à T0(1-p/3). Mais d'autres valeurs pratiques sont possibles autour de ces valeurs théoriques. Les figures 5 et 6 montrent les résultats obtenus pour différentes valeurs de p, donc pour différentes amplitudes du champ utilisé. La figure 5 illustre l'amplitude relative du signal électrique de mesure, portée en ordonnées en fonction de la fréquence relative w/wmax pour différentes valeurs de p (p=O/0,1/0,2/0,3/0,4). La figure 6 montre la phase du signal électrique, toujours en fonction de w/wmax pour Les mêmes valeurs de p. Dans ces schémas, i I a été supposé que la durée t des impulsions était de to/(1-2p/t) et la durée T de L'intervalle de Tg(p-p/3). On voit, sur La figure 5, que la variation d'amplitude avec w est sensiblement indépendante de p sur une très large plage de fréquence, ce qui rend aisee la programmation de la compensation de cette variation. La figure 6 montre que la phase est quasiment plate. Sur ces figures 5 et 6, les courbes en pointillés, correspondent à la technique antérieure JR à impulsions (t0, To) avec un paramètre p égal à 0,4. Par comparaison avec les courbes en trait continu, on voit combien la régularité de l'amplitude est améliorée et le déphasage réduit grâce à l'invention. L'invention ne se limite pas au mécanisme de précession libre des spins mais peut aussi s'appliquer à la technique dite d'écho de spins. Dans ce cas, la largeur t des impulsions est modifiée par introduction d'un coefficient q Lié au retard temporel entre écho et impulsion d'excitation. On prendra comme largeur d'impulsion La valeur t' t '=t0(1-2p/-q). Lorsque le paramètre q est très inférieur à 1, L'écho apparaît après un temps qT0 après la fin de la seconde impulsion. REVENDICATIONS 1. Procédé. d'excitation d'un spectromètre à résonance magnétique nucléaire permettant La suppression du signal de solvant, ce procédé consistant à appliquer à une solution soumise à un champ magnétique statique (hast) un champ magnétique radiofréquence (Hrf) à La fréquence (W) de résonance du solvant de la solution, ce champ étant appliqué perpendiculaire- ment au champ statique (hast) en deux impuLsions rectan glaires de durée (t) d'amplitude (Hrf) et de phases opposes, les fronts de montée de ces impulsions étant s.paré.es d'une durée (T), ces impulsions provoquant deux basculements opposés de L'aimantation de La soLution, l'intervalle (T-t) entre deux impulsions provoquant un décalage angulaire relatif des spins nuclé.ai- res du soluté par rapport aux spins nucléaires du solvant, lesdits spins nucléaires du solvant retrouvant, après cette excitation, Leur direction initiale parallèlement au champ magnétique statique (hast) et Les spins nucléaires du soluté se trouvant décalés angytairement des spins nucléaires du solvant d'une quantité qui depend de la durée (T-t) de l'intervalle entre impulsions et de Leur fréquence relative de r.s?nance (w), un signal électrique pouvant alors être prélevé qui résultera de la précession des seuls spins nucléaires du soluté autour du champ magnétique statique (Hst), Lequel signal présentera un maximum d'amplitude pour ceux des spins du soluté dont La fréquence relative de résonance (wmax) est telle qu'à La fin de L'excitation leur décalage angulaire par rapport su champ magnétique~statique était de #/2, ce procédé étant caractérisé par Le fait que La durée (t) des deux impulsions de champ radiofrequence est telle que Les deux basculements de l'aimantation sont supérieurs à #/2 d'une première quantité et que La durée (T-t) de L'intervalle entre impulsions est telle que Le décalage angulaire des spins du soluté de fréquence relative (wmax) par rapport aux spins du solvant pendant l'intervelle entre impulsions est inférieur å t/2 d'une seconde quantité, de telle sorte qu'à la fin de l'excitation, tous Les spins du soluté sont situés dans un même plan défini par Le champ magnétique statique (Hst) et La directipn d'application du champ radiofréquence (Ox), ce qui minimise toute erreur de phase dans Le sign fl électrique prélevé, ceux des spins du soluté qui ont La fréquence relative (wmax) se trouvant encore décalés angulairement de par parrapport au champ magnétique statique et condui sant à un maximum de signal, ce qui minimise toute erreur d'amplitude dans le signal électrique prélevé. 2. Procédé selon La revendication 1, caracté r i s é. par Le fait que deux différences (t-t0) d'une part, et (T-To) d'autre part, s'expriment en fonction d'un même paramètre (p) égal au rapport (to/To) entre la durée (to) d'une impulsion de champ radiofréquence d'amplitude (Hrf) qui serait apte à provoquer un basculement égal à t/Z, et La durée (To) qui correspond à un décalage angulaire (&alpha;) égal à #/2 pour La fréquen- ce relative (wmax) conduisant à un maximum de signal. 3. Procédé selon La revendication 2, caractérisé par Le fait que la durée (t) des impulsions correspond sensiblement à un basculement de L'aimantation voisin de (#/2)+p et que la durée (T-t) de L'intervalle correspond sensiblement à un décalage angulaire ( x) voisin de (w2)-2p. 4. Procédé selon la revendication 2, caracté risé par le fait que la durée (t) des impulsions correspond à un basculement de l'aimantation voisin de (#/2)/(1-2p/#) et par le fait que la durée (T-t) de l'intervalle entre les impulsions est telle que le décalage angulaire (c 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que, pour obtenir un fonctionnement en écho de spin, La durée (t) des impulsions est choisie telle que le basculement de l'aimantation est égal à #/2)/(1-(2/#)p-q).