Brevet FR2681432A1 — publié le 19930319

Dispositif de mesure électromagnétique et son utilisation pour évaluer l'efficacité d'une sonde de résonance magnétique. La présente invention concerne un dispositif de mesure électromagnétique pouvant notamment être utilisé pour évaluer l'efficacité d'une sonde de résonance magnétique, et en particulier pour caractériser une antenne destinée à la technique de l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM). La demande de brevet FR 89 08712 montre le principe de l'imagerie par résonance magnétique nucléaire tandis qu'une antenne IRM est décrite dans la demande de brevet FR 88 04163. La fonction remplie par une antenne dans la technique d'imagerie par résonance magnétique nucléaire est bien connue des spécialistes du domaine et ne sera pas décrite dans l'exposé de la présente invention. Pour une antenne IRM, l'optimisation de son efficacité est déterminante, d'une part pour minimiser la puissance radiofréquence nécessaire à l'excitation, et d'autre part pour obtenir le rapport signalsur-bruit (S/B) maximal à la réception. L'efficacité de l'antenne peut être caractérisée par quatre paramètres suivants - La fréquence d'accord (v), au voisinage de laquelle l'antenne est généralement utilisée. La fréquence angulaire o) ou pulsation d'accord est: (o=27tv (1) - L'inductance équivalente (L), qui représente l'énergie magnétique stockée par unité de courant électrique circulant dans l'antenne. Lorsque l'antenne est accordée au moyen d'une capacité C, son inductance équivalente est définie par la relation: LC(o2 1 (2) - Le facteur de qualité (Q), qui exprime la capacité de l'antenne à stocker de l'énergie magnétique à la fréquence angulaire o et est défini par la relation: Q=Lo/R (3) où R est la résistance équivalente de pertes électriques de l'antenne. - La sensibilité de réception qui est proportionnelle à l'efficacité d'émission selon le principe de réciprocité connu des spécialistes du domaine. L'efficacité d'émission de l'antenne est définie comme le champ magnétique produit par unité de puissance (B1/P) en faisant circuler un courant électrique radiofréquence dans l'antenne et en faisant le rapport entre l'amplitude B1 du champ magnétique induit et la racine carrée de la puissance électrique P dissipée pour produire ce champ. Dans un article (document I) paru dans JOURNAL OF MAGNETIC RESONANCE Vol 24, pp 71-85 (1976), il a été démontré que le signal-sur-bruit (S/B) fourni par l'antenne est proportionnel à la sensibilité de l'antenne. En général, dans les applications biologiques, le facteur de qualité et la sensibilité de l'antenne sont modifiés par la présence de l'échantillon (ou du patient en IRM). Dans ce cas, on parle de facteur de qualité et de sensibilité "à vide" de l'antenne en l'absence d'échantillons, et de facteur de qualité et de sensibilité "en charge" en la présence d'échantillons. L'introduction d'échantillons conducteurs dans l'antenne amène des pertes supplémentaires qu'on peut évaluer en faisant le rapport entre les valeurs à vide et les valeurs en charge de ces paramètres. Dans l'état actuel de la technique, la méthode de mesure considérée comme la plus fiable pour caractériser une antenne IRM est décrite dans un document II intituté "BIOMEDICAL MAGNETIC RESONANCE TECHNOLOGY" (Medical Science Series, C-N Chen & DI Hoult, IOP Publishing Ltd 1989). Comme illustrée sur les figures 6 et 7, la méthode consiste à positionner une antenne 20 à une distance d'au moins cinq fois sa dimension par rapport à tout élément conducteur important environnant. Ensuite deux bobines 21,22 de flux identiques, de réactance de l'ordre de 5 Q, sont placées de part et d'autre de l'antenne. L'une des bobines 21 est reliée à un générateur de fréquence variable sous 50 Q d'impédance de source, non représenté. L'autre 22 est reliée à un oscilloscope dont l'impédance d'entrée égale 50 Q également non représenté. Les deux bobines sont alors écartées symétriquement de l'antenne. La fréquence d'accord vO correspond alors au maximum de la réponse obtenue sur l'oscilloscope. On peut en déduire la valeur de l'inductance équivalente L à cette fréquence à partir de la valeur de la capacité d'accord C selon les équations (1) et (2) précédentes. Le facteur de qualité de l'antenne est donné par la relation: Q=v0/AV, (4) où Av est la bande passante égale à l'écart entre les deux fréquences pour lesquelles la réponse sur l'oscilloscope est atténuée d'un facteur 0,707 (-3 dB) par rapport à son maximum. Pour obtenir une précision de l'ordre de 1 % sur la mesure de Q, il est nécessaire d'obtenir un couplage maximale de -40 dB, c'est à dire une atténuation du signal du générateur par un facteur supérieur à cent au niveau de l'entrée de l'oscilloscope. D'autre part, il faut que le couplage direct entre les deux bobines de flux 21,22 (en l'absence de l'antenne 20) soit au moins dix fois inférieur (-20 dB) au couplage maximum obtenu en présence de l'antenne. n faut donc a priori que la distance entre les bobines de mesure soit grande par rapport à leur diamètre. On peut remarquer que la méthode de mesure précédemment décrite permet de déterminer non seulement la fréquence d'accord et l'inductance équivalente de l'antenne, mais également le facteur de qualité de l'antenne de façon simple selon l'équation (4) au lieu de passer par l'équation théorique (3) qui nécessite la détermination difficile sur le plan pratique, de la résistance équivalente R de pertes électriques de l'antenne. Cependant, la particularité de deux bobines 21,22 symétriquement mobiles par rapport à l'antenne 20 rend la méthode délicate et lente pour sa mise en oeuvre, car il faut non seulement de l'espace pour permettre le déplacement des bobines de mesure mais également des moyens pour positionner l'antenne (par suspension selon le document II) et de maintenir les deux bobines symétriques dans leur déplacement par rapport à l'antenne. En outre, la méthode précédemment décrite n'est pas applicable pour déterminer la sensibilité d'antenne. Actuellement la sensibilité peut être évaluée en envoyant une puissance connue P dans l'antenne grâce à une source radiofréquence et en mesurant l'amplitude du champ B1 produit à la fréquence v. Pour connaître la puissance P, il faut étalonner le niveau de la source et le degré de couplage inductif entre la source et l'antenne. Selon le document I, la mesure de l'amplitude B1 peut être effectuée par la technique de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), c'est à dire en calibrant l'angle de basculement o: que l'aimantation nucléaire d'un échantillon effectue en présence du champ radiofréquence: a=7Bl T où T est la durée d'application du champ radiofréquence. n est commode de rechercher la durée X qui correspond à un basculement de 1800, car elle se traduit par une annulation du signal RMN issu de l'échantillon. La détermination de la sensibilité est ainsi très complexe et longue et n'est pas appropriée sur le plan industriel pour évaluer la sensibilité d'un grand nombre d'antennes. L'objet de la présente invention est de proposer un dispositif de mesure pouvant déterminer l'ensemble des quatre paramètres caractéristiques d'une sonde de Résonance Magnétique ou d'une antenne IRM. L'invention a également pour objet un dispositif de mesure fiable, de structure simple et compacte, facile à utiliser et peu coûteux. Un autre objet de l'invention est de déterminer la répartition spatiale de la sensibilité de l'antenne de façon simple et rapide. Le dispositif de mesure électromagnétique selon l'invention comprend un émetteur et un récepteur reliés respectivement à un générateur de fréquence variable et à un oscilloscope. L'émetteur et le récepteur sont constituées chacun d'une petite bobine sous forme d'une boucle conductrice. Les deux boucles formant l'émetteur et le récepteur sont en couplage inductif l'une avec l'autre et se recouvrent au moins partiellement, de façon à minimiser l'interaction magnétique directe entre les deux boucles. Dans un article (document m) paru dans MAGNETIC RESONANCE IN MEDECINE vol 16, pp 192-225 (1990) signé de Roemer et al., il a été proposé une méthode de réception simultanée de signaux de résonance magnétique nucléaire au moyen d'une multitude d'antennes de réception disposées de façon très rapprochée et se chevauchant mutuellement. Selon l'article, le chevauchement entre les antennes permet d'éliminer l'inductance mutuelle des antennes et de supprimer le problème de résonance parasitaire. Pour trouver le fondement scientifique de la présente invention, l'inventeur s'est posé la question de savoir si le principe posé dans le document III relatif à plusieurs antennes de réception toutes passives pouvait être appliqué pour minimiser le couplage magnétique direct entre une bobine émettrice de champ magnétique qui est active, et une bobine réceptrice passive en les plaçant de façon très rapprochée l'une de l'autre. En effet, pour caractériser une antenne IRM, le dispositif de mesure ne doit pas perturber de façon significative les mesures à effectuer. Il faut donc minimiser l'interaction entre l'émetteur et le récepteur du dispositif de façon à la rendre négligeable devant l'interaction entre l'antenne et chacune des bobines émettrice et réceptrice. Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, l'émetteur et le récepteur sont chacun réalisés sous forme d'une boucle conductrice qui peut être multispire, les deux boucles se trouvant dans des plans très rapprochés et parallèles de préférence en se chevauchant au moins partiellement. Suivant les tailles respectives de l'antenne et du dispositif, il est possible de faire un ajustement de la position relative des deux boucles de façon à minimiser l'interaction mutuelle directe des deux boucles par rapport à l'interaction entre l'antenne et chacune des deux boucles du dispositif. La distance entre les deux boucles émettrice et réceptrice qui sont maintenues fixes l'une par rapprt à l'autre doit être inférieure à leur dimension de façon à pouvoir fournir des mesures significatives. Grâce à l'invention, il est possible de réaliser un dispositif de mesure intégré dans un seul corps solide, ce qui est très pratique contrairement à ce que prévoit le document II, bien que Ia fréquence d'accord, l'inductance équivalent et le facteur de qualité soient évalués en respectant les mêmes règles que dans le document II respectivement par les équations (1), (2) et (4). Pour ce qui est de la mesure de la sensibilité de l'antenne, l'inventeur a démontré pour la première fois que la valeur du couplage entre l'émetteur et le récepteur en présence de l'antenne est proportionnelle au carré de la sensibilité de l'antenne à l'endroit où est placé le dispositif de mesure. En déplaçant le point de mesure, il est donc possible d'obtenir une cartographie ou la répartition spatiale de la sensibilité d'une antenne, et également de comparer rapidement la sensibilité de différentes antennes. On peut obtenir des mesures absolues de la sensibilité des antennes en étalonnant la mesure à partir d'une antenne IRM de référence de sensibilité connue. La détermination de la sensibilité de l'antenne de référence peut être obtenue par la technique classique. Pour effectuer des mesures, le dispositif de l'invention peut être positionné indifféremment à l'intérieur ou à l'extérieur de l'antenne, sous réserve d'une distance minimale avec le conducteur de l'antenne le plus proche soit respecté, la distance minimale peut être de deux à trois fois le diamètre des bobines du dispositif. Dans la pratique, la dynamique de mesure est limitée par la valeur du couplage direct entre les deux bobines de flux du dispositif. Pour améliorer l'isolation entre les deux bobines, un écran électrostatique est de préférence disposé entre les deux boucles de bobines. L'écran électrostatique peut être formé de lignes conductrices parallèles reliées électriquement entre elles en un seul point. L'écran électrostatique est relié au point froid de chaque bobine, lesdits points froids étant reliés respectivement à la masse du générateur de fréquence variable et de l'oscilloscope. Avec le dispositif de l'invention, il est possible d'obtenir un couplage direct entre l'émetteur et le récepteur (en absence de l'antenne) inférieur à -100 dB. Eventuellement, on pourra utiliser deux écrans électrostatiques séparés connectés chacun respectivement au point froid de chacune des bobines du dispositif. Selon l'invention, le dispositif comprend un support isolant sur lequel sont fixées les bobines d'émission et de réception. Le support isolant peut être constitué de deux parties sous forme de plaques parallèles réglables angulairement l'une par rapport à l'autre, de façon à pouvoir ajuster le recouvrement partiel des deux boucles du dispositif. Grâce à l'invention, il est possible de caractériser complètement une antenne de façon rapide, simple et précise à l'aide d'un dispositif simple, compact et peu coûteux. L'invention sera mieux comprise dans l'étude de la description détaillée de deux modes de réalisation particuliers pris à titres nullement limitatifs et illustrés par des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue schématique de dessus du dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1, la figure 3 est une vue schématique de dessus du dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention, la figure 4 est une vue en coupe du dispositif selon IV-IV de la figure 3, la figure 5 est une vue schématique montrant l'utilisation du dispositif de l'invention pour caractériser une antenne IRM, la figure 6 est une vue schématique pour illustrer la technique antérieure selon le document II et, la figure 7 est une courbe de-réponse correspondant à la technique de la figure 6. Selon l'invention, le dispositif de mesure électromagnétique comprend un émetteur 1 réalisé sous forme d'une boucle conductrice 2 et un récepteur 3 formé également d'une boucle conductrice 4. Les boucles émettrice 2 et réceptrice 4 se trouvent sur deux plans rapprochés parallèles et peuvent être formées d'une ou d'une pluralité de spires de fils conducteurs électriques. L'émetteur 1 est relié à la sortie d'un générateur de fréquence variable non représenté. Le point froid 5 de l'émetteur 1 est relié à la masse du générateur de fréquence. Le récepteur 3 est connecté à l'entrée d'un oscilloscope non représenté. Le point froid 6 du récepteur 3 est relié à la masse de l'oscilloscope. La connexion électrique entre l'émetteur et le générateur de fréquence ainsi que entre le récepteur et l'oscilloscope sont de préférence réalisés à l'aide d'un câble coaxial. Selon la variante illustrée sur les figures 1 et 2, le dispositif comprend un support isolant électrique 7 sous forme d'une plaque, les boucles émettrice 2 et réceptrice 4 sont rendues solidaires des deux faces du support 7 avec un recouvrement entre elles. Le dispositif peut comporter un écran électrostatique, par exemple sous forme d'une grille conductrice noyée dans le support isolant 7, les points froids 5 et 6 des boucles émettrice 2 et réceptrice 4 étant reliés électriquement à la grille formant écran électrostatique. Selon la variante de réalisation illustrée sur les figures 3 et 4, le dispositif de l'invention comprend un support isolant en deux parties 7a et 7b sous forme de plaques parallèles. L'une des plaques 7a peut pivoter dans son plan par rapport à l'autre plaque 7b autour d'un axe 8, de façon à pouvoir ajuster le recouvrement entre les boucles émettrice 2 et réceptrice 4. Le support comprend en outre un moyen de maintien en positon non représenté, permettant de fixer les deux plaques 7a et 7b en interdisant leur mouvement mutuel. Un écran électrostatique 9 est monté entre les plaques isolantes 7a, 7b, et rendu solidaire d'une face de l'une des plaques 7a. De préférence, l'écran électrostatique 9 est réalisé sous forme de fils conducteurs parallèles reliés électriquement entre eux en un seul point. Les points froids 5 et 6 des boucles émettrice 2 et réceptrice 4 sont de préférence reliés électriquement à l'écran électrostatique 9. La figure 5 montre l'utilisation du dispositif de l'invention pour caractériser une antenne d'imagerie par résonance magnétique nucléaire. L'antenne 10 est schématisée par une boucle de dimension importante par rapport à la taille du dispositif de l'invention. L'antenne 10 est accordée au moyen d'une capacité C. Pendant la mesure, le générateur de fréquence variable non représenté envoie un signal à l'émetteur I du dispositif. Par couplage inductif entre la boucle émettrice 2 et l'antenne 10, un premier courant induit circule dans l'antenne 10. Ledit courant induit génère à son tour un champ magnétique produit par l'antenne 10 qui par couplage inductif avec la boucle réceptrice 4 du récepteur 3 génère un second courant induit dans la boucle réceptrice 4. Le signal correspondant du récepteur 3 alimente l'oscilloscope non représenté. Pour mesurer la fréquence d'accord de l'antenne 10, il suffit de faire varier la fréquence du générateur et de trouver la fréquence de résonance de la réponse fournie à l'oscilloscope. Ladite fréquence de résonance dans la réponse est la fréquence d'accord de l'antenne 10. Pour la détermination de l'inductance équivalente de l'antenne 10, il suffit d'appliquer les équations (1) et (2) précédentes. Pour la détermination du facteur de qualité de l'antenne 10, il suffit d'appliquer l'équation (4) précédente en mesurant la bande passante Av dans la courbe de réponse sur l'oscilloscope. Pour la détermination de la sensibilité de l'antenne 10, il suffit d'appliquer la relation démontrée par l'inventeur selon laquelle la valeur du couplage, c'est à dire le rapport des signaux entre le récepteur 3 et l'émetteur 1 en présence de l'antenne 10 est proportionnelle au carré de la sensibilité de l'antenne à l'endroit où est placé le dispositif de mesure. Autrement dit, la sensibilité de l'antenne à l'emplacement du dispositif de mesure est proportionnelle à la racine carrée du rapport entre les signaux du récepteur 3 et de L'émetteur 1. 11 est possible ainsi de tracer une cartographie de la sensibilité de l'antenne 10 ou de comparer la sensibilité de différentes antennes en mesurant la valeur du couplage entre le récepteur 3 et l'émetteur 1 en présence de l'antenne sans se préoccuper du coefficient de proportionnalité dans la relation ci-dessus énoncée. Dans le cas où des mesures absolues de la sensibilité de l'antenne 10 doivent être obtenues, il suffit d'étalonner la mesure à partir d'une antenne de référence de sensibilité déjà connue. A partir de la sensibilité, il est facile d'obtenir le rapport signalsur-bruit de l'antenne "à vide" selon l'enseignement du document I. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure électromagnétique comprenant un émetteur (1) relié à un générateur de fréquence variable et un récepteur (3) relié à un oscilloscope, l'émetteur et le récepteur étant en couplage inductif et réalisés chacun sous forme d'une boucle conductrice (2,4), caractérisé par le fait que les boucles émettrice (2) et réceptrice (4) sont maintenues fixes en recouvrement au moins partiel l'une par rapport à l'autre, la distance entre les boucles étant inférieure ou égale à leur dimension. 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les boucles émettrice et réceptrice se trouvent dans deux plans rapprochés et parallèles l'un à l'autre. 3. Dispositif de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend un support isolant électrique (7;7a,7b), disposé entre et rendu solidaire des boucles émettrice et réceptrice, chacune desdites boucles étant constituée d'une ou d'une pluralité de spires de fils conducteurs. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le support (7;7a,7b) comprend un écran électrostatique (9) entre les boucles émettrice et réceptrice. 5. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'écran électrostatique (9) est realisé sous forme d'une grille présentant une pluralité de fils conducteurs disposés en parallèle et reliés entre eux électriquement en un seul point. 6. Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le support isolant comprend deux parties (7a,7b) sous forme de plaques parallèles dont l'une peut pivoter dans son plan par rapport à l'autre autour d'un axe (8), de façon à pouvoir ajuster le recouvrement des deux boucles. 7. Dispositif de mesure selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de maintien en position des deux plaques isolantes interdisant leur mouvement relatif. 8. Utilisation du dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes pour évaluer l'efficacité d'une sonde de résonance magnétique (10;20), notamment d'une antenne d'imagerie par résonance magnétique nucléaire, l'efficacité comprenant la fréquence d'accord (v), l'inductance équivalente (L), le facteur de qualité (Q) et Ia sensibilité. 9. Utilisation du dispositif pour déterminer la sensibilité d'une antenne (10) selon la revendication 8, dans laquelle on effectue le rapport entre les signaux du récepteur (3) et de l'émetteur (1) en un point spatial déterminé, et on déduit la sensibilité de l'antenne au même point spatial en multipliant la racine carrée dudit rapport des signaux par un coefficient de proportionnalité. 10. Utilisation selon la revendication 9, dans laquelle le coefficient de proportionnalité est déterminé en étalonnant la mesure à partir d'une antenne de référence de sensibilité connue. 11. Utilisation selon la revendication 9 ou 10, pour établir une cartographie de la sensibilité d'une antenne.