Brevet FR2801427A1 — publié le 20010525

ANTENNE QUADRIPOLAIRE UTILISEE DANS UN SYSTEME RMN Domaine technique La présente invention concerne une antenne quadripolaire utilisée dans un système RMN, par exemple de type "ouvert". Etat de la technique antérieure Les applications principales actuelles des dispositifs de mesure de résonance magnétique nucléaire ou RMN concernent les mesures de porosité dans le domaine pétrolier et tous les domaines tels que le domaine agro-alimentaire, le domaine du béton... o la quantité d'eau est une caractéristique importante. Dans un dispositif RMN dit "ouvert", l'objet ou le circuit à caractériser se trouve à l'extérieur du volume du dispositif, contrairement par exemple aux imageurs médicaux pour lesquels le patient est situé à l'intérieur du système magnétique. Dans ce cas en particulier, les paramètres critiques des dispositifs RMN sont la puissance d'émission RF et le niveau de l'induction de polarisation produite par un système magnéto-statique. La technique de mesure par RMN est bien connue pour détecter la présence de protons d'hydrogène. Cette technique est utilisée pour l'analyse de matière poreuse. Le principe consiste à visualiser les trous présents dans la matière, à les comptabiliser et à les soustraire du volume total. L'amplitude du signal RMN émis par des protons qui ont été au préalable excités à partir d'un signal électromagnétique à la fréquence de résonance (fréquence définie par la valeur de l'induction magnétique de polarisation) est directement proportionnelle au moment magnétique des protons et donc à la quantité de ces protons. Une fois l'excitation supprimée, le système de protons retourne à son état initial avec des temps de relaxation dépendant de l'environnement. La mesure consiste à détecter l'évolution du signal dans le temps puis, par extrapolation, à en déduire la valeur à l'origine des temps. Cette valeur est proportionnelle à la quantité de protons excités. Le principe de la RMN utilise les propriétés quantiques des protons. Un proton possède un moment cinétique intrinsèque, le spin I. Or, soit y le rapport gyromagnétique du proton, ce moment cinétique est associé à un moment magnétique ffm par la formule: m = y.h.I Lorsque le proton est soumis à un champ magnétique intense Bc, il acquiert une vitesse de précession o0 liée à l'induction B0 par le facteur gyromagnétique y et son moment magnétique s'oriente dans la même direction. Deux états d'énergie quantifiés sont possibles: l'état parallèle E+ (le plus stable) et l'état antiparallèle E-. D'o les formules: 0 = y- Bo et AE = E+ - E- =h.00 Selon un traitement classique, il y a plus de noyaux précessant de façon parallèle que de façon antiparallèle. L'aimantation totale M0 résultant de tous les moments magnétiques des protons est donc colinéaire et de même sens que B0o. La RMN pulsée consiste à appliquer pendant une durée finie, un champ radiofréquence Bl, appelé aussi impulsion, dans le plan perpendiculaire à Bo0. Pour réaliser une séquence RMN, plusieurs types d'impulsions sont utilisées. La première impulsion est appelée impulsion 900. Son émission provoque un écartement de l'axe magnétique du proton de 90 par rapport à B0. Les protons sont en résonance et entrent en précession. Dans le cas d'une séquence dite CPMG, (Carr-Purcell-Meiboom-Gill), d'autres impulsions (appelées impulsions 180 ) sont utilisées pour supprimer l'effet d'homogénéité incorrecte qui se traduit par une orientation disparate des spins des protons. Grâce aux impulsions 180 , les protons sont refocalisés (les spins ont la même phase), ce qui se traduit par la détection d'échos, dont la décroissance en amplitude dans le temps correspond à celle du signal d'un système homogène. Chaque acquisition faite sur un écho d'un signal RMN est constituée de deux mesures réalisées en quadrature par détection synchrone. L'antenne réceptrice est une bobine située dans un plan orthogonal au champ magnétique Bo. La valeur mesurée est constituée de composantes transversales Y et X (appelées aussi parties réelles Re et imaginaire Im) déphasées de 90 et elle caractérise la projection du champ magnétique M émis par les protons sur un plan orthogonal à B0. Les composantes réelles et imaginaires forment un signal complexe dont le module est celui de M projeté sur un plan perpendiculaire au champ B0. La partie imaginaire d'un écho ondule tandis que la partie réelle reste positive et présente un maximum au centre. Un dispositif RMN est un système capable de réaliser une mesure RMN sur un échantillon et d'exploiter les données pour mettre en évidence les informations importantes (dans le cas présent, une quantité d'eau et des temps de relaxations). Il est conçu à partir de l'optimisation de différents sous- ensembles constituant le système: une sonde, une électronique composée d'un séquenceur, un récepteur et un émetteur, et un ordinateur qui contrôle l'acquisition et analyse les données. La sonde inclut un système statique, généralement constitué d'une source: bobinage ou aimant permanent et d'un circuit magnétique avec pièces polaires, et une antenne composée de bobinages et éventuellement de circuits magnétiques, qui du point de vue électrique, est définie à partir de sa self et de sa résistance. L'induction RF produite par l'antenne doit être perpendiculaire à l'induction statique dans le volume de mesure. Cette dernière étant radiale, la direction de l'induction RF peut être horizontale ou verticale. Pour améliorer l'efficacité de l'antenne, un champ tournant peut être produit à partir de deux champs de directions perpendiculaires et de modules égaux mais déphasés de x/2 dans le temps. Un document de l'art connu, le brevet US 5 719 499, décrit une antenne de ce type dans un dispositif permettant l'excitation et la détection d'une résonance magnétique, telle que la résonance magnétique nucléaire. Cette antenne quadripolaire comprend ainsi deux enroulements perpendiculaires et déphasés de n/2 permettant de commander l'amplitude et la phase de champs électromagnétiques orthogonaux. L'invention a pour objet une telle antenne quadripolaire qui permette d'accroître l'efficacité du système d'émission radiofréquence. Exposé de l'invention La présente invention concerne une antenne quadripolaire utilisée dans un système RMN, par exemple de type "ouvert", apte à générer, dans une région de l'espace, un champ radiofréquence de module constant et tournant dans un plan, comportant deux éléments de base qui génèrent chacun dans ladite région un champ homogène de module égal et déphasé dans le temps de n/2 par rapport à l'autre et de direction perpendiculaire à celui-ci, caractérisé en ce que: - chaque élément de base est formé de deux enroulements disposés symétriquement par rapport à un plan, - les plans de symétrie de chaque élément de base sont orthogonaux entre eux et orthogonaux au plan contenant le champ radiofréquence. Avantageusement, chaque enroulement est constitué d'une ou plusieurs spires. Une boucle de couplage permet de coupler chaque élément de base à une électronique de commande. Un avantage de cette configuration est la diminution du couplage grâce à la position des deux enroulements en quadrature (les flux entrant et sortant s'annulent). Dans une variante de réalisation les deux éléments de base sont constitués par un circuit magnétique et au moins deux bobines. Des bobines de couplage permettent de coupler les bobines à une électronique de commande. Brève description des dessins La figure 1 illustre une antenne quadripolaire de l'art connu. Les figures 2A et 2B illustrent un élément de base de l'antenne de l'invention respectivement dans une vue de face et une vue de profil. Les figures 3A, 3B et 3C illustrent l'antenne de l'invention respectivement dans une vue de perspective, une vue de côté et une vue de dessus. La figure 4 illustre l'antenne de l'invention en cas d'utilisation de boucles de couplages à une électronique de commande. La figure 5 illustre une variante d'un élément de base de l'antenne de l'invention. La figure 6 illustre cette variante de l'antenne de l'invention. La figure 7 illustre cette variante de l'antenne de l'invention, représentée sur la figure 6, en cas d'utilisation de boucles de couplage à une électronique de commande. Expose détaillé de modes de réalisation En RMN pulsée on applique, pendant une durée finie, un champ radiofréquence B1, appelé aussi impulsion dans le plan perpendiculaire à l'induction Bo' Les impulsions de commande permettent de contrôler la rotation du spin du proton soumis à ces champs B0 et B' Une antenne quadripolaire permet de générer un champ tournant B L'angle de rotation du spin du proton est alors donné par la relation: a=Y. 1. dt o y est le facteur gyromagnétique du proton considéré. B1 le module de l'induction tournante RF fourni par l'antenne quadripolaire interagissant de façon résonante avec le spin, lorsque la fréquence de rotation RF est égale à la fréquence de précession du proton fo=y.Bo, o B0 est le module de l'induction magnétique statique de polarisation des protons, ce module dépendant de l'efficacité de l'antenne Ba/Ia o Ba et Ia correspondent respectivement au module de l'induction fournie par l'antenne d'émission parcourue par un courant Ia. Dans le cas d'une antenne formée par un seul enroulement, B1 est égal à la moitié de l'induction émise Ba et de même la puissance utile est égale à la moitié de la puissance émise. Afin de réduire cette perte d'efficacité et de puissance à l'émission, une solution de l'art connu comprend deux enroulements 10 et 11 de directions perpendiculaires, oscillants à la fréquence f0 et déphasés dans le temps de n/2, comme illustré sur la figure 1. Une telle solution est utilisée dans le brevet US 5 719 499, cité précédemment. Sur cette figure sont représentés les inductions Bx(t) et By(t) ainsi que l'induction résultante B1. La présente invention met en oeuvre une telle technique dans le cas des antennes de surfaces utilisées en particulier dans les structures RMN ouvertes, le gain en puissance permettant en particulier d'accroître la profondeur de mesure. Elle concerne une antenne quadripolaire qui comporte deux éléments de base 14, tel que représenté sur les figures 2A et 2B, formé chacun de deux enroulements d'une ou plusieurs spires, tel que: les enroulements 12 et 13 sont symétriques l'un de l'autre par rapport à un plan P, - les plans de symétrie P, (P') de chaque élément de base sont orthogonaux entre eux et orthogonaux au plan contenant le champ radiofréquence résultant E, - chaque élément de base génère dans ladite région un champ B. à homogène, de module égal et déphasé dans le temps de x/2 par rapport à l'autre et de direction perpendiculaire à celui-ci. L'antenne de l'invention est constituée de deux tels éléments de base 14 et 15, comme illustré sur les figures 3A, 3B et 3C respectivement dans une vue en perspective, une vue de côté, et une vue de dessus; le premier élément 14 correspondant à celui représenté sur les figures 2A et 2B. Pour une meilleure compréhension de l'invention, une représentation des champs Bx By et du champ tournant résultant B a été illustrée sur le côté de la figure 3A. Le second élément 15 est décalé par rapport au premier 14 pour faciliter la lisibilité. En réalité il est superposé à celui-ci. Du fait de la circulation des courants Ix circulant dans le premier élément 14 et Iy circulant dans le second élément 15, le couplage mutuel entre les deux éléments de base est nul. Les flux se retranchent entre les éléments x et y. De même en cas d'utilisation de boucles de couplage 20 et 21 à une électronique de commande comme illustré sur la figure 4, celles-ci sont positionnées afin qu'un couplage existe uniquement avec l'élément de base correspondant. Ainsi la boucle de couplage 20 est en position symétrique par rapport à l'axe x, et la boucle de couplage 21 est en position symétrique par rapport à l'axe y. Sur cette figure les éléments 14 et 15 sont normalement superposes. Ce type de structure est adapté aux systèmes o la zone de mesure est limitée par rapport aux dimensions de la structure, par exemple 1 cm comparé à 10. Dans un exemple avantageux de réalisation, pour améliorer encore le rapport puissance émise/puissance nécessaire de l'antenne et donc d'améliorer la profondeur d'investigation de la sonde on utilise des spires dont le diamètre est de l'ordre de 6 cm, on obtient alors un champ d'environ 10-3 Tesla pour un courant d'environ 10 A dans les spires. Toujours en vue de limiter la puissance RF une variante de l'invention utilise un circuit magnétique, ce qui permet de limiter l'énergie magnétique du fait de la matérialisation d'un espace à forte densité électromagnétique, par le circuit, et de plus, permet d'homogénéiser l'induction. Un élément de base d'une telle variante de réalisation, représenté sur la figure 5, comporte ainsi un circuit magnétique 30, deux bobines 31, les lignes d'induction étant référencées 32. L'antenne de l'invention forme alors une configuration quadripolaire, qui est illustrée sur la figure 6. Elle comprend ainsi un circuit magnétique 40, des bobines 41 fournissant les composantes en phase, des bobines 42 fournissant les composantes en quadrature, les lignes d'induction en phase et les lignes d'induction en quadrature étant respectivement référencées 43 et 44. Dans le cas de l'utilisation de bobines 45 et 46 de couplage à une électronique de commande, comme illustré sur la figure 7, celles-ci sont placées dans la partie médiane de chaque branche du circuit ce qui permet de coupler les deux composantes en phase et en quadrature. Sur cette figure sont illustrées le circuit magnétique 40, les bobines 41, les bobines 42, les lignes d'induction en phase 43 et les lignes d'induction en quadrature 44 comme sur les figures 6A et 6B, ainsi que les bobines 45 de couplage avec les composantes en phase, et les bobines 46 de couplage avec les composantes en quadrature. Pour une meilleure compréhension de l'invention, une représentation des champs Bx Bà et du champ tournant résultant B1 a été illustrée sur le côté de la figure 7. Dans un exemple de réalisation, afin d'améliorer encore le rapport puissance émise/puissance nécessaire de l'antenne et donc améliorer la profondeur d'investigation de la sonde, on utilise des bobines, entourant des barreaux de ferrite doux, formant un circuit magnétique carré d'environ 2 m de côté, le champ obtenu étant alors de l'ordre de 10-4 Tesla. REVENDICATIONS 1. Antenne quadripolaire utilisée dans un système RMN apte à générer, dans une région de l'espace, un champ radiofréquence (à1) de module constant et tournant dans un plan, comportant deux éléments de base (14, 15) qui génèrent chacun dans ladite région un champ homogène (Bx y) de module égal x y et déphasé dans le temps de x/2 par rapport à l'autre, et de direction perpendiculaire à celui-ci, caractérisée en ce que: - chaque élément de base (14,15) est formé de deux enroulements disposés symétriquement par rapport à un plan (P. P'), - les plans de symétrie (P, P') de chaque élément de base (14,15) sont orthogonaux entre eux et orthogonaux au plan contenant le champ radiofréquence (à1), 2. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle chaque enroulement est constitué d'une ou plusieurs spires. 3. Antenne selon la revendication 2, comprenant une boucle de couplage (20,21) de chaque élément de base à une électronique de commande. 4. Antenne selon la revendication 1, dans laquelle les deux éléments de base sont constitués par un circuit magnétique (30) et au moins deux bobines (31). 5. Antenne selon la revendication 4 comprenant quatre bobines (41,42). 6. Antenne selon la revendication 5, comprenant des bobines (45,46) de couplage des quatre bobines (41,42) à une électronique de commande.