Brevet FR2817047A1 — publié le 20020524

PROCEDE DE MESURE PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE AVEC SUPPRESSION DES ECHOS DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un procédé de mesure par résonance magnétique nucléaire avec suppression des échos. Etat de la technique antérieure Le principe de la résonance magnétique nucléaire, ou RMN, utilise les propriétés quantiques des protons. Un proton possède un moment cinétique intrinsèque, le spin Ï. Ce moment cinétique est associé à un moment magnétique fi par la formule : y étant le facteur gyromagnétique du proton, et 3 = h / 2#h, h étant la constante de Planck. Lorsque le proton est soumis à une induction magnétique intense Bo, il acquiert une vitesse de précession ù) c) liée à l'induction Bo 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'où les formules : Coo = y. Bo et AE = E±E-= n. ooo Selon un traitement classique, il y a plus de noyaux précessant de façon parallèle que de façon antiparallèle. L'aimantation totale Ma résultant de tous les moments magnétiques des protons est donc colinéaire et de même sens que l'induction B. o. La RMN pulsée consiste à appliquer pendant une durée finie, une induction électromagnétique radiofréquence (ou RF) Bu'appelée aussi impulsion, dans le plan perpendiculaire à l'induction Bo. 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 900 par rapport à l'induction Bo* Les protons sont en résonance et entrent en précession. Dans le cas d'une séquence dite CPMG (CarrPurcell-Meiboom-Gill), d'autres impulsions, appelées impulsions 1800, sont utilisées pour supprimer l'effet d'homogénéité incorrecte qui se traduit par une orientation disparate des spins des protons. Grâce aux impulsions 1800, 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 à l'induction magnétique Ba. La valeur mesurée est constituée de composantes transversales Y et X (appelées aussi parties réelle Re et imaginaire Im) déphasées de 900 et elle caractérise la projection de l'induction magnétique M émise par les protons sur un plan orthogonal à Bo. Les composantes réelle et imaginaire forment un signal complexe dont le module est celui de M projeté sur un plan perpendiculaire à l'induction Bo. La partie imaginaire d'un écho ondule tandis que la partie réelle reste positive et présente un maximum au centre. Un système de mesure RMN, capable de réaliser une mesure RMN sur un objet à analyser et d'exploiter les données pour mettre en évidence les informations utiles, comprend différents sousensembles : une sonde, une électronique composée d'un émetteur, un récepteur et un séquenceur, et un ordinateur qui contrôle l'acquisition et analyse les données : - La sonde qui inclut, d'une part, un système statique, généralement constitué d'une source : bobinage ou aimant permanent et d'un circuit magnétique avec pièces polaires, et, d'autre part, 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. - L'émetteur, dans lequel l'émission de l'induction radiofréquence est générée grâce à un générateur RF, un générateur d'impulsions et un amplificateur de puissance dont l'efficacité énergétique doit être maximale. - Le récepteur, qui permet de réaliser les acquisitions par détection synchrone. Il regroupe un amplificateur bas niveau, un filtre passe-bande, et un détecteur synchrone. Les données issues de la détection synchrone sont numérisées et acquises en mémoire. - Le séquenceur, qui pilote l'électronique. Les paramètres de pilotage sont la fréquence RF, les paramètres des séquences pour l'émission et l'acquisition. - L'ordinateur, qui est l'interface entre l'homme et la machine. Lors d'une commande de l'utilisateur, il enclenche une mesure et réceptionne les données. La RMN est basée sur une technique d'émission d'impulsion RF à niveau élevé et de réception d'impulsions RF à niveau bas par exemple du point de vue tension : le signal d'émission est de quelques kilovolts et le signal de réception de quelques dizaines de microvolts. Sur la figure 1 sont représentés de telles impulsions émission 10, et les échos 11 situés entre ces impulsions ; l'amplitude de ces échos ayant été amplifiée d'un facteur 1000 en échelle. Comme illustré sur la figure 2, suite aux impulsions d'émission 10 on peut observer des rebondissements 12 qui détériorent le signal détecté. Ces rebondissements 12 ont deux origines principales : - une origine magnéto-acoustique : de tels rebondissements sont dus à l'apparition d'ondes acoustiques produites du fait de l'interaction des courants de Foucault induits par l'induction RF BI dans les parties conductrices électriques et soumises à l'induction magnétique de polarisation Bo. Les échos de ces ondes produisent des impulsions RF à la même fréquence que le signal utile, comme décrit dans un article intitulé Acoustic ringing effects in pulsed nuclear magnetic resonance probes de M. L. Buess et G. L. Peterson, (Rev. Sci. Instrum. (49 (8), août 1978 pages 1151 à 1155), cet article expliquant le phénomène d'écho parasite gênant dans des sondes de résonance magnétique nucléaire pulsée, en des termes de génération électromagnétique et de détection d'ondes ultrasonores, et décrivant quelques techniques pour éliminer ce problème. - une origine électronique : de tels rebondissements sont dus aux désadaptations des impédances, aux couplages parasites entre selfs (antennes, filtres...). Ces phénomènes électroniques sont particulièrement importants dans le cas de systèmes basse fréquence (de quelques centaines de kHz à quelques MHz), ce qui correspond à des systèmes RMN à bas champ (de quelques miniteslas à quelques centaines de miniteslas). L'invention a pour objectif de proposer un procédé de mesure RMN permettant de pallier de tels rebondissements. Exposé de l'invention L'invention concerne un procédé de mesure par résonance magnétique nucléaire, dans lequel un objet à analyser est soumis à la fois à une induction magnétique statique Bo et à une induction électromagnétique radiofréquence Bu'ledit procédé étant tel que : - on effectue une première mesure en dehors des conditions de résonance magnétique nucléaire, - on effectue une seconde mesure dans les conditions de résonance magnétique nucléaire, - on soustrait la première mesure de la seconde mesure pour obtenir un signal sans écho, caractérisé en ce que l'on effectue la première mesure après avoir déréglé l'induction statique Bo. Avantageusement, les inductions Bo et BI présentant chacune une plage de fonctionnement, l'intersection de ces deux plages définissant un volume de mesure et l'objet ayant une dimension inférieure à la plus grande des deux plages, on dérègle l'induction statique Bo de façon à ce que le volume de mesure soit déplacé hors de l'objet. Avantageusement, les inductions Bo et B, présentant chacune une plage de fonctionnement, l'intersection de ces deux plages définissant un volume de mesure et l'objet ayant une dimension supérieure à la plus grande des deux plages, on dérègle l'induction statique Bo de façon à ce que le volume de mesure soit déplacé hors de la plus grande plage. L'invention permet principalement de pallier les rebondissements d'origine électronique. Mais elle permet, aussi, de pallier les rebondissements d'origine magnéto-acoustique. Brève description des dessins Les figures 1 et 2 illustrent les signaux émis et détectés dans un système RMN de l'art connu. Les figures 3A, 3B et 3C représentent différents signaux illustrant le fonctionnement du procédé de l'invention. La figure 4 illustre un système de mesure RMN susceptible de mettre en oeuvre le procédé de l'invention. La figure 5 illustre le volume d'intérêt, considéré dans le procédé de l'invention, dans deux exemples de réalisation. Exposé détaillé de modes de réalisation Le procédé de mesure par résonance magnétique nucléaire de l'invention consiste à : - effectuer une première mesure RMN sur un objet à analyser en dehors des conditions de résonance magnétique nucléaire, et donc en absence d'échos, ce qui permet d'évaluer les signaux non porteurs d'informations utiles, cette première mesure étant utilisée comme mesure de référence, - effectuer une seconde mesure RMN sur l'objet à analyser dans les conditions de résonance magnétique nucléaire, - soustraire la première mesure de la seconde pour obtenir un signal utile sans écho. Dans le cas de la RMN, on réalise chaque mesure pour des valeurs spécifiques des inductions statique Bo et radiofréquence BI. Pour obtenir la première mesure, on dérègle'le système, ou machine, de mesure afin de se trouver en dehors des conditions de résonance magnétique nucléaire, la solution la plus intéressante consistant à dérégler le moins possible Bo. Selon les applications, c'est-à-dire selon la résolution spatiale exigée, les inductions Bo et Bi pourront évoluer sur des plages de fonctionnement plus ou moins grandes. Et la mesure RMN sera alors réalisable dans un volume dit"volume de mesure"dans lequel les conditions sur les inductions statiques et RF seront remplies simultanément. On peut le définir aussi comme étant l'intersection des plages de fonctionnement des deux inductions. Dans l'environnement industriel, la plage de fonctionnement de l'induction statique peut être de quelques % et celle de l'induction RF de l'ordre de 30%. Mais la situation inverse peut se produire, à savoir une plage de fonctionnement de l'induction statique plus large que celle de l'induction RF. Dans une première variante de fonctionnement du procédé de l'invention, si la plus grande plage de fonctionnement définit un domaine spatial plus grand que l'objet à analyser, on dérègle Bo suffisamment de façon à déplacer le volume de mesure en dehors du volume de l'objet. En général, un dérèglement de quelques % est suffisant. Dans une seconde variante, dans le cas d'un objet à analyser très gros, pour éviter de sortir la mesure de l'objet comme dans la première variante, ce qui mènerait à des variations de Bo beaucoup trop importantes, il suffit de dérégler Bo de façon à ce que le volume de mesure soit hors de la plus grande des plages de fonctionnement ce qui ne nécessite qu'une variation de l'ordre de 10% pour Bo (pour les 30% de B1). La valeur de l'induction de polarisation de la résonance Bo est donnée par la relation : étant la pulsation de résonance (coo = 2# fa), fa étant la fréquence de résonance, et y le facteur gyromagnétique. Le signal détecté à la fréquence centrale fo se situe dans une bande de fréquence Ôfa qui dépend de la largeur de bande des différents éléments constituant la partie détection : - l'antenne dont la largeur de bande 8fa dépend du facteur de surtension Q : 8fa= fo/Q, - le filtre passe bande de largeur off. Du point de vue induction de polarisation, la largeur de bande Öfo correspond à une variation de l'induction de polarisation : Cette variation correspond à une répartition de l'induction Bo dans l'espace, qui définit une plage de fonctionnement correspondant à l'espace tel que l'induction de polarisation vérifie la relation suivante : Dans la suite la plage de fonctionnement de l'induction statique considérée est plus petite que celle de l'induction RF. Dans la première variante de fonctionnement, dans le cas où la taille de l'objet est inférieure à la plus grande plage de fonctionnement, il suffit de faire varier l'induction statique de polarisation de façon à placer le volume de mesure en dehors du volume de l'objet. Il suffit en général de quelques % et au maximum, il suffit de la variation Bo. On peut réaliser une modulation de l'induction de polarisation, par exemple une modulation en trapèze, entre les valeurs Bo- (Bo et Bo + ÔBO. Les figures 3A, 3B et 3C illustrent respectivement un signal de modulation, un signal d'acquisition sans écho 20 et un signal d'acquisition avec échos 21, et un signal différence 22 qui illustre les échos. Dans la majorité des cas 8Bo est de l'ordre du %, en particulier dans le cas de rebondissements d'origine magnéto-acoustique où l'effet est proportionnel à l'induction Bo. On peut considérer que 3BO est constant pour une modulation de quelques %. Le procédé de l'invention est donc applicable dans ce cas. Une telle modulation peut être réalisée à partir de bobines et d'alimentation auxiliaires dans un temps compatible avec le type de mesure réalisée (quelques centaines de ms), comme illustré dans la configuration classique de type structure de type H à aimants permanents représentée sur la figure 4. Sur cette figure 4 sont représentés : - une carcasse 30, - des aimants permanents 31, - des pièces polaires 32, - des bobines 33, - une alimentation variable 34, - l'objet à analyser 35, - et le volume de mesure correspondant 36. L'induction produite par les bobines 33, qui est de même direction que celle produite par les aimants permanents 31, permet de faire varier l'induction Bo. Elle n'est pas nécessairement homogène. Elle a pour objet de perturber l'homogénéité de l'induction de polarisation. Ces bobines 33 peuvent être très proches du volume de mesure 36 afin de maximiser leur efficacité. Dans un exemple de réalisation on considère les valeurs suivantes : - objet 35 : sphère de diamètre 20 mm, - zone 36 : sphère de diamètre 30 mm - Bo : de l'ordre de 0,1 T - homogénéité de Bo dans la zone 36 : 1%. Ces valeurs impliquent une variation de Bo supérieure à 2% pour"sortir"de l'objet. Dans la seconde variante de fonctionnement, dans le cas où la taille de l'objet 35 est supérieure à la plus grande plage de fonctionnement, dans notre exemple celle de Bu, la variation de l'induction de polarisation statique doit être telle que le volume de mesure n'existe plus. Du fait de la variation de B1 dans l'espace (volume 36"), pour se placer en dehors des conditions de résonance magnétique nucléaire, il suffit que la variation de l'induction statique de polarisation B soit telle que le volume 36', où B est égale à Bo, soit extérieur à ce volume 36", comme illustré sur la figure 5. Dans un exemple de réalisation on considère les valeurs suivantes : - objet 35 : dimension le mètre, - zone 36' : sphère de diamètre 30 mm, - homogénéité #0 dans cette zone 36' : ~ 1%, - zone 36" : sphère de diamètre 50 mm, - homogénéité Bi dans cette zone 3611 30 - homogénéité 9. dans cette zone 36" : 5 %, - Bo : de l'ordre de 0,1 T, - Bi : de l'ordre du mT. Ces valeurs impliquent une variation de Bo supérieure à 10% pour sortir de la zone 36". Les conditions de mesures requièrent que les conditions de résonance soient réalisées. Si la forme des rebondissements est stable dans le temps, il est possible de mettre le signal hors résonance en mémoire afin de le retrancher au signal de mesure. Dans le cas d'une RMN avec séquence CPMG, étant donné que l'amplitude des échos d'une même séquence décroissent dans le temps, on peut soustraire le signal issu de la dernière impulsion 1800 en considérant que l'amplitude du signal est proche de zéro et que la forme des rebondissements est identique dans une séquence. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure en résonance magnétique nucléaire dans lequel un objet à analyser est soumis à la fois à une induction magnétique statique Bo et à une induction électromagnétique radiofréquence BI, ledit procédé étant tel que : - on effectue une première mesure en dehors des conditions de résonance magnétique nucléaire, - on effectue une seconde mesure dans les conditions de résonance magnétique nucléaire, - on soustrait la première mesure de la seconde mesure pour obtenir un signal sans écho, caractérisé en ce que l'on effectue la première mesure après avoir déréglé l'induction statique Ba. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, les inductions Bo et BI présentant chacune une plage de fonctionnement, l'intersection de ces deux plages définissant un volume de mesure et l'objet ayant une dimension inférieure à la plus grande des deux plages, on dérègle l'induction statique de façon à ce que le volume de mesure soit déplacé hors de l'objet. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, les inductions Bo et à, présentant chacune une plage de fonctionnement, l'intersection de ces deux plages définissant un volume de mesure et l'objet ayant une dimension supérieure à la plus grande des deux plages, on dérègle l'induction statique de façon à ce que le volume de mesure soit déplacé hors de la plus grande plage.