Brevet FR2801384A1 — publié le 20010525

DISPOSITIF D'ETUDE D'UN OBJET PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE, UTILISANT UN CHAMP MAGNETIQUE STATIQUE DE FAIBLE HOMOGENEITE DESCRIPTION Domaine technique présente invention concerne un dispositif d'étude d'un objet par résonance magnétique nucléaire ou (en anglais "nuclear magnetic résonance" ou NMR). le s'applique notamment aux mesures de taux d'humidité et aux mesures de porosité. Etat de la technique antérieure RMN est fondée . sur la polarisation d'un ensemble de noyaux ("nuclei") d'une même espèce nucléaire donnée, de spin nucléaire non nul (et possédant donc un nombre impair de nucléons) lorsque ces noyaux sont placés dans un champ magnétique statique dont l'induction magnétique correspondante est notée Bo, et - sur l'interaction de ces noyaux avec un champ magnétique de radiofréquence, qui est perpendiculaire au champ magnétique statique, dont l'induction magnétique correspondante est notée B, et dont la fréquence t être rendue égale à la fréquence de résonance de l'espèce nucléaire considérée ou fréquence de Larmor, notée fo, égale à 'y x Bo, où @y le rapport gyromagnétique, caractéristique de l'espèce nucléaire considérée. On précise que, dans la présente invention, on s'intéresse plus particulièrement noyaux d'hydrogéné 1H, c'est-à-dire à des protons, qui résonnent mieux que d'autres noyaux de spin nul (se prêtant également à des mesures par RMN). Les dispositifs de RMN comprennent moyens de génération du champ magnétique statique moyens que l'on appelle généralement "structure magnétostatique", et des moyens de génération du champ de radiofréquence, moyens généralement appelés "antenne électromagnétique" et utilisant une source de courant de radiofréquence ou source courant RF. La structure magnétostatique peut être formée à partir systèmes électromagnétiques ' istants ou supraconducteurs ou à partir d'aimants permanents. Du fait de la présence de signaux de radiofréquence, ou signaux RF, un dispositif de RMN doit comporter des moyens de protection, exemple une cage de Faraday, formant un écran électromagnétique et ayant pour fonction de réduire le couplage de ces signaux de radiofréquence avec l'environnement du dispositif de RMN, tant pour améliorer rapport signal sur bruit lors de la détection du signal utile (signal de RMN émis par l'objet étudie), dont l'amplitude vaut généralement quelques microvolts, que pour éviter de perturber l'émission RF de l'antenne électromagnétique, émission dont la puissance vaut généralement quelques kilowatts. Or, l'une des contraintes auxquelles est soumis un dispositif de RMN est la production d'un champ magnétique statique ayant un niveau d'homogénéité connu dans la zone de mesure, zone où l'on place un objet que l'on veut étudier par RMN. On définit le niveau d'homogénéité de ce champ magnétique statique dans la zone considérée comme rapport (AB/B,,,) entre l'écart maximal de variation l'induction dans la zone, et la valeur moyenne homogénéité est, quant à elle, d'autant plus grande le niveau d'homogénéité est faible. L'homogénéité souhaitée est généralement obtenue, dans le cas où l'on utilise des systèmes électromagnétiques supraconducteurs ou résistants, par optimisation de la géométrie et des dimensions des bobinages que comportent de tels systèmes. Dans le cas des systèmes électromagnétiques résistants, l'utilisation d'éléments en matériaux magnétiques doux permet d'améliorer l'homogénéité. Ces diverses configurations, qui sont destinées à l'obtention d'une homogénéité suffisante (pour mesures de RMN que l'on souhaite faire), conduisent des structures généralement volumineuses que l'on doit alors entourer d'une cage de Faraday de grande taille. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en disposant les moyens de protection, formant un écran électromagnétique, dans l'espace délimité par la structure magnétostatique (ou en choisissant convenablement cette dernière pour qu'elle serve aussi d'écran électromagnétique) et dans le cas d'un dispositif de RMN destiné à des utilisations qui ne nécessitent pas une grande homogénéité de champ magnétique statique, ce qui est généralement le cas des utilisations pour le grand public. On peut alors parler d' dispositif de RMN destiné au grand public. Il convient de noter que la RMN est habituellement utilisée pour obtenir des images par exemple dans le domaine médical, ce qui nécessite une très importante homogénéité du champ magnétique statique : le niveau d'homogénéité requis est alors très faible, de l'ordre de -5. Cela nécessite l'utilisation d'un champ de radiofréquence dont la fréquence f est caractérisée par un rapport Af/f tout aussi faible. Or, le coefficient de surtension Q, qui est proportionnel à l'inverse de Af/ est alors très élevé. Le coefficient Q est de plus très sensible à toute variation de la charge R d'antenne magnétique Q est inversement proportionnel à cette charge R. Il est alors hors de question de placer 'écran électromagnétique dans la structure magnétostatique car l'écran chargerait alors fortement l'antenne électromagnétique par courants de Foucault. Au contraire, dans le cas d'un usage de RMN pour le grand public, il est possible de travailler, de façon moins coûteuse, avec un champ magnétique statique de faible homogénéité, caractérisée par un niveau d'homogénéité de l'ordre de 10-2. Le champ magnétique de radiofréquence doit alors avoir une bande passante du même ordre de grandeur. Pour faire, le coefficient de surtension Q doit être faible de l'ordre de 50 à 100, ce qui conduit à munir l'antenne électromagnétique d'une charge. est alors possible d'utiliser l'écran électromagnétique à cet effet, en plaçant cet écran à proximité de l'antenne pour charger cette dernière à partir de pertes de courants de Foucault dans l'écran. De façon précise, la présente invention concerne un dispositif d'étude d'un objet par résonance magnétique nucléaire, au moyen de noyaux d' même espèce nucléaire de spin non nul, contenus dans l'objet, ce dispositif comprenant - des premiers moyens de génération champ magnétique qui délimitent une zone destinée à contenir l'objet et sont prévus pour appliquer à cet objet un champ magnétique statique dont le niveau d'homogénéité est compris entre 5 x 10-3 et 5 x 10-2# - des deuxièmes moyens de génération de champ magnétique, prévus pour appliquer à l'objet un champ magnétique de radiofréquence qui est perpendiculaire au champ magnétique statique, et - des moyens de protection électromagnétique qui sont prévus pour préserver la réception et l'émission de signaux de radiofréquence, par l'objet, de perturbations électromagnétiques provenant de l'environnement du dispositif, ce dispositif étant caractéri i sé en ce que ces moyens de protection électromagnétique sont disposés à l'interieur ou à la périphérie de la zone délimitée par les premiers moyens de génération de champ magnétique. Dans la présente invention, l'espèce nucléaire utilisées est de préférence de l'hydrogène 1H. dispositif objet de l'invention peut être prévu pour déterminer la porosité et/ou le taux 'humidité de l'objet. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, moyens de protection électromagnétique comprennent cage de Faraday qui est disposée à l'intérieur de la zone délimitée par les premiers moyens de genération de champ magnétique et comprend au moins ouverture destinée à l'introduction de l'objet dans la cage de Faraday. Chaque ouverture peut être exempte de moyens d'obturation de celle-ci ou, au contraire, la cage de Faraday peut comprendre des moyens d'obturation de chaque ouverture. exemple, la cage de Faraday peut comprendre, pour chaque ouverture, une paroi mobile et électriquement conductrice, prévue pour obturer cette ouverture. Selon un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les premiers moyens de géneration de champ magnétique comprennent un électro-aimant qui forme aussi les moyens de protection électromagnétique. Les deuxièmes moyens de génération de champ magnétique peuvent comprendre une antenne-solénoïde ou une antenne-cadre, disposée à l'intérieur des moyens protection électromagnétique. Brève description des dessins La présente invention sera mieux comprise à la lecture la description d'exemples de réalisation donnés '-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels - figure 1A est une vue en coupe schématique 'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention utilisant une antenne-solénoïde et une cage de Faraday avec porte(s), - figure 1B est la section I-I de la figure 1A, - la figure 2A est une vue en coupe schématique 'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, utilisant une antenne-cadre et une cage de Faraday à ouverture non obturée, - figure 2B est la section I-I de la figure 2A, - la figure 3A est une vue en coupe schématique d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, utilisant une structure magnétique de type Watson qui forme également les moyens de protection electromagnétique, - figure 3B est la section I-I de la figure 3A, et - la figure 3C est section II-II de la figure 3A. Exposé détaillé de modes réalisation particuliers On suppose à titre d'exemple que l'on veut étudier, par RMN, un objet 2 contenant des molécules d'eau et donc des noyaux d'hydrogène 1H. On suppose aussi que l'on peut se contenter d'un champ magnétique statique de faible homogénéité, correspondant par exemple ' un niveau d'homogénéité de l'ordre de 1% à 2%, pour faire cette étude. I1 s'agit par exemple d'étudier la porosité ou le taux d'humidité de l'objet On utilise alors le dispositif objet de l'invention dont des exemples sont schématiquement illustrés par les figures à 3C. Un premier exemple de l'invention est schématiquement illustré par les figures 1A et 1B. La figure 1A est la section -II de la figure 1B tandis que cette dernière est la section I-I de la figure 1A. Le dispositif des figures 1A et 1B comprend une structure magnétostatique plus simplement appelée structure magnétique, qui délimite une zone 6 destinée à contenir l'objet 2 et est prévue pour appliquer à cet objet le champ magnétique statique de faible homogénéité, l'induction magnétique correspondant à ce champ statique étant notee Bo sur les figures 1A et 1B. Le dispositif des figures 1A et 1B comprend aussi une antenne-solénoïde 8 qui est prévue pour appliquer à l'objet un champ magnétique de radiofréquence perpendiculaire au champ magnétique statique, l'induction magnétique de radiofréquence correspondant à ce champ de radiofréquence étant notée B1 sur figures 1A et 1B. Le dispositif des figures 1A et 1B comprend en outre une cage de Faraday 10 qui est disposée à l'intérieur de la zone délimitée par la structure magnétique 4 et qui est destinée à préserver la réception et l'émission de signaux de radiofréquence, par l'objet 2, de perturbations électromagnétiques provenant de l'environnement du dispositif des figures et 1B. On voit aussi sur la figure 1B un générateur de radiofréquence 12 destiné à fournir un courant électrique de radiofréquence à l'antenne-solénoïde pour créer le champ de radiofréquence. L'antenne-solénoïde 8 est contenue dans la cage Faraday 10. On voit des lignes d'induction de radiofréquence 14 engendrées lorsque le générateur de radiofréquence alimente cette antenne. L'objet à étudier 2 est maintenu par des moyens appropriés non représentés à l'intérieur de la zone délimitée par l'antenne-solénoïde, comme on le voit les figures 1A et 1B. La cage de Faraday 10 comprend une ouverture destinée à l'introduction de l'objet dans cette cage, plus précisément dans la zone délimitée par l'antenne-solénoïde 8. Dans l'exemple des figures 1A et 1B, des moyens i d'obturation de cette ouverture sont prévus. Ces moyens d'obturation comprennent par exemple une paroi mobile électriquement conductrice 16. Dans l'exemple des figures 1A et 1B, cette ouverture et la paroi correspondante 16 sont en regard 'une extrémité de l'antenne- solénoïde, l'axe de cette antenne- solénoïde rencontrant ainsi l'ouverture et la paroi correspondante. En variante, on prévoit deux ouvertures pour la cage de Faraday des figures 1A et 1B : en plus de l'ouverture déjà mentionnée, on prévoit une autre ouverture en regard de l'autre extrémité de l'antenne-solénoïde 8. La cage de Faraday comprend aussi une paroi mobile est électriquement conductrice 18, prévue pour obturer cette autre ouverture. On peut ainsi introduire l'objet à étudier par l'une ou l'autre des ouvertures 16 et 18, après avoir ouvert paroi correspondante et l'on referme ensuite cette paroi pour faire la mesure. Il convient de noter que la structure magnetique 4 est ouverte en deux extrémités qui sont respectivement en regard des deux extrémités de l'antenne-solénoïde. Cette structure magnétique 4 s'étend suivant un axe qui coïncide avec l'axe X de l'antenne-solénoïde 8. Un deuxième exemple est schématiquement illustré par les figures 2A et 2B. La figure 2A est la section -II de la figure 2B tandis que cette dernière es,t la section I-I de la figure 2A. Le dispositif des figures 2A et 2B comprend encore structure magnétique 4 destinée à créer champ magnétique statique de faiblé homogénéité, l'induction magnétique statique correspondante étant encore notée Bo. On utilise encore, en tant que moyen protection électromagnétique, une cage de Faraday 20 disposée dans la zone délimitée par la structure magnétique 4. Pour engendrer le champ magnétique de radiofréquence, on utilise une antenne-cadre 22 disposée dans la cage de Faraday 20, l'induction magnétique de radiofréquence correspondante étant encore notée B1. L antenne-cadre 22 est orientée de façon que le champ magnétique de radiofréquence soit encore perpendiculaire au champ magnétique statique. voit sur la figure 2B un générateur de radiofréquence 24 prévu pour alimenter l'antenne-cadre 22. voit aussi des lignes d'induction de radiofréquence 26 engendrées par l'antenne-cadre 22 lorsqu'elle est alimentée par le générateur de radiofréquence 24. Dans l'exemple des figures 2A et 2B, la cage de Faraday 20 comporte une seule ouverture 28 sans aucun moyen obturation: l'accès à l'intérieur de la cage de Faraday est direct. En regard de cette ouverture, la cage de Faraday est fermée par un fond inamovible 30. On voit aussi une ligne 32 de fuite du champ magnétique de radiofréquence par cette ouverture. On voit que l'ouverture 28 et le fond 30 de la cage de Faraday sont respectivement en regard des deux extrémités ouvertes de la structure magnétique 4. Le champ magnétique statique et le champ magnétique de radiofréquence sont perpendiculaires à l'axe de la structure magnétique 4. Malgré l'absence de paroi d'obturation de l'ouverture 28 de la cage de Faraday, les fuites du champ de radiofréquence sont réduites fait des dimensions de l'ouverture 28 qui valent environ 10 cm et du fait de la direction du champ magnétique de radiofréquence qui est perpendiculaire à 'axe X de la structure magnétique 4. Du fait du théorème de réciprocité le niveau des perturbations externes est réduit. autre exemple du dispositif objet de l'invention est schématiquement illustré par les figures 3A, 3B et 3C. La figure 3B est section I-I de figure 3A et la figure 3C est la section II-II de cette figure 3A. Dans l'exemple des figures 3A à on utilise encore une structure magnétique 34 pour engendrer le champ magnétique statique de faible homogénéité mais il s'agit d'un électro-aimant de type Watson. Ici, la structure de type Watson a été dessinée mais une structure de type H peut tout aussi bien la remplacer. L'électro-aimant des figures 3A à 3C comprend un circuit magnétique en fer doux 36 muni de deux bobines magnétiques 38 et 40 disposées en regard l'une de l'autre autour de deux régions opposées du circuit magnétique 36 comme on le voit sur les figures 3A à 3C. Cette structure magnétique 34 permet de créer le champ magnétique statique dont l'induction magnétique statique correspondante est encore notée Bo. Dans la zone délimitée par la structure magnétique 34 disposée une antenne-cadre 40 destinée ' créer un champ magnétique de radiofréquence dont l'induction magnétique correspondante est encore notée B, qui est perpendiculaire au champ magnétique statique, l'antenne-cadre étant orientée à cet effet dans zone délimitée par la structure magnétique. On voit des lignes d'induction de radiofréquence 44 engendrées lorsque l'antenne-cadre est alimentée par un courant de radiofréquence fourni par un générateur de radiofréquence non représenté. L'utilisation de l'électro-aimant de type Watson ou de type H permet non seulement d'engendrer champ magnétique statique mais encore de faire jouer au circuit en fer doux 36 de cette structure magnétique le rôle des moyens de protection électromagnétique. On peut alors considérer que ces moyens de protection se trouvent à la périphérie de la zone délimitée par la structure magnétique 34. voit que cette structure 34 est ouverte deux extrémités opposées et s'étend suivant un axe Y auquel le champ magnétique statique et le champ magnétique de radiofréquence sont perpendiculaires. voit aussi des lignes 46 de fuite du champ magnétique de radiofréquence par les deux extrémités ouvertes opposées de la structure magnétique de type Watson (ou de type H) sur la figure 3C. Cependant, comme dans le cas des figures 2A et 2B, le niveau des perturbations externes est réduit car les dimensions des extrémités ouvertes de/ la structure 34 valent environ 10 cm et le champ magnétique de radiofréquence est perpendiculaire à l'axe Y. L'objet à étudier (non représenté) est introduit dans la zone délimitée par l'antenne-cadre 42 par 'une ou l'autre des deux ouvertures de l'électro-aimant de Watson (ou de type H). Sur les figures 1A à 3C, on n'a pas .représente les moyens de refroidissement qu'il peut être nécessaire oindre aux dispositifs de RMN. On n'a pas non plus représenté les moyens de détection et de traitement des signaux de radiofréquence émis par l'objet étudié lorsqu'il est soumis à un champ magnétique de radiofréquence ayant une fréquence appropriée. On sait que les moyens de détection de ces signaux radiofréquence peuvent comprendre une bobine réceptrice comprenant deux parties qui sont respectivement disposées de part et d'autre de l' et à étudier, dans la zone délimitée par l'antenne électromagnétique, l'axe commun à ces deux parties de bobine réceptrice étant perpendiculaire au champ magnétique statique et au champ magnétique de radiofréquence. On précise que la cage de Faraday 10 (y compris chaque paroi mobile dont elle est pourvue) et la cage Faraday 20 sont faites d'un matériau tel que le cuivre par exemple. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étude d'un objet (2) par résonance magnétique nucléaire, au moyen de noyaux d' même espèce nucléaire de spin non nul, contenus dans 'objet, ce dispositif comprenant - des premiers moyens de génération de champ magnétique (4, 34) qui délimitent une zone destinée à contenir l'objet et sont prévus pour appliquer à cet objet un champ magnétique statique dont le niveau d'homogénéité est compris entre 5 x 10-3 et 5 x 10-2, - des deuxièmes moyens de génération champ magnétique (8, 22, 42) prévus pour appliquer à l'objet un champ magnétique de radiofréquence qui est perpendiculaire au champ magnétique statique, et - des moyens de protection électromagnétique (10, 20, 36) qui sont prévus pour préserver la réception et l'émission de signaux de radiofréquence, par l'objet, de perturbations électromagnétiques provenant de l'environnement du dispositif, dispositif étant caractérisé en ce que ces moyens de protection électromagnétique (10, 20, 36) sont disposés à l'intérieur ou à la périphérie de la zone délimitée par les premiers moyens de génération de champ magnétique (4, 34). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans r lequel la même espèce nucléaire est l'hydrogène 1H. 3. Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 et 2, prévu pour déterminer la porosite.et/ou le taux d'humidité de l'objet (2). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens de protection électromagnétique comprennent une cage de Faraday (10, 20) qui est disposée à l'intérieur la zone délimitée par les premiers moyens de génération de champ magnétique (4) et comprend au moins une ouverture (28) destinée à l'introduction de l'objet dans cage de Faraday. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel chaque ouverture (28) est exempte de moyens d'obturation de celle-ci. 6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel cage de Faraday comprend des moyens (16, 18) d'obturation de chaque ouverture. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel cage de Faraday (10) comprend, pour chaque ouverture, une paroi mobile et électriquement conductrice (16, 18), prévue pour obturer cette ouverture. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les premiers moyens de géneration de champ magnétique comprennent un électro aimant (34) qui forme aussi les moyens de protection électromagnétique. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l'électro-aimant a une structure de type Watson ou de type H. 10. Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 9, dans lequel les deuxièmes moyens de génération de champ magnétique comprennent antenne-solénoïde (8) disposée à l'intérieur des moyens de protection électromagnétique (10). 11. Dispositif selon l'une quelconque revendications 1 à 9, dans lequel les deuxièmes moyens de géneration de champ magnétique comprennent une antenne cadre (22, 42) disposée à l'intérieur des moyens de protection électromagnétique (20, 36).