Brevet FR2813671A1 — publié le 20020308

Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour une imagerie par résonance paramagnétique électronique. Le dispositif de la présente invention présente une utilisation potentielle au niveau d'une imagerie par résonance paramagnétique électronique (EPR) monodimensionnelle, bidimensionnelle ou tridimensionnelle. Il présente une application potentielle dans l'industrie du cuir pour détecter la présence et la distribution du chrome dans le cuir. Le dispositif peut également être utilisé dans l'industrie des médicaments, des produits pharmaceutiques et des cosmétiques. Il est également envisagé que ce dispositif présente une utilisation pour détecter la présence et la distribution de radicaux incluant le radical nitroxyde dans des métabolites à des fins médicales. En outre, ce dispositif présente une application potentielle au niveau d'applications minéralogiques et au niveau de l'industrie alimentaire. Arrière-plan de l'invention La résonance paramagnétique électronique (EPR) qui est également connue en tant que résonance de spin électronique (ESR) est une technique de spectroscopie radiofréquence (RF)/hyperfréquence (micro-onde) qui détecte des radicaux libres, certains complexes de métaux de transition, certains complexes de métaux des terres rares, des molécules d'état triplet et similaire au moyen de la présence d'électrons non appairés dans de telles espèces (des "spins"). La mesure est réalisée en positionnant l'échantillon digne d'intérêt (habituellement liquide ou solide) dans un résonateur approprié (par exemple une cavité, une structure à ondes lentes etc.) placé dans un champ magnétique spatialement homogène et en l'irradiant avec un rayonnement électromagnétique (em) dont la fréquence correspond à la fréquence de précession caractéristique des spins électroniques dans le champ externe, la fréquence de résonance étant donnée par l'équation: ho Bo o g est le facteur de séparation spectroscopique (le facteur de Landé ou simplement le facteur g), i est le magnéton de Bohr, Bo est l'intensité du champ magnétique et h est la constante de Planck divisée par 2n. L'équation de "premier ordre" pour la fréquence de résonance est habituellement modifiée au moyen de l'addition d'autres termes contributifs mettant en jeu des champs internes (ou locaux) provenant d'autres électrons non appairés et/ou de spins nucléaires. L'absorption (ou l'émission) résonante du rayonnement em dans ces conditions est habituellement enregistrée en faisant varier l'intensité du champ magnétique externe en traversant la condition de résonance, en maintenant constante la fréquence du rayonnement em dans un mode à onde continue (cw) . Afin de minimiser des dérives courant continu ou DC pendant le déroulement du balayage de champ et afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, il est habituel d'utiliser une modulation de champ, typiquement entre 100 Hz et 100 kHz en utilisant un jeu de bobines de modulation qui sont montées dans le résonateur/la cavité et qui réalisent une détection sensible à la phase (PSD) de la sortie du détecteur d'em (par exemple un détecteur à diode). Normalement, les mesures EPR sont utilisées pour accéder à une information détaillée concernant la structure électronique, la forme et la dynamique d'espèces moléculaires, I'échantillon et le champ magnétique étant rendus aussi homogènes que possible. Le champ magnétique est habituellement généré au moyen d'un aimant permanent, au moyen d'un électro-aimant supraconducteur ou de façon davantage fréquente, au moyen d'un électro-aimant résistif. L'intensité du champ qui est généré au moyen de l'aimant est habituellement non supérieure à 1,5 Tesla (T) bien que des champs très faibles de l'ordre de 0,01 T ou des champs très élevés de l'ordre de 3,4 T puissent également être utilisés. En correspondance, l'échantillon qui est placé dans le résonateur est irradié typiquement à I'aide de micro- ondes en provenance d'un pont de micro-ondes ou à l'aide d'un rayonnement radiofréquence. Dans le mode de fonctionnement pulsé, le pont de micro-ondes à onde continue (cw) est remplacé par un pont de micro-ondes pulsé, les microondes sont amplifiées à l'aide d'un amplificateur à tube à ondes progressives (TWT) afin de produire typiquement une puissance qui va jusqu'à 1 kW dans le mode de sortie pulsé, ces impulsions micro-ondes étant ensuite appliquées sur le résonateur. Souvent, un résonateur présentant un facteur de qualité Q plus faible est utilisé pour des applications pulsées dans le but de réduire le temps d'amortissement ("temps mort") du système pour permettre une détection en un "temps presque nul" des signaux ESR résultants. La même expérimentation de base peut cependant être utilisée dans un mode relativement différent pour détecter des distributions moléculaires macroscopiques dans un objet inhomogène. Une telle fonction de distribution procure une "image" de l'objet en question. Le point essentiel d'une telle mesure n'est pas la structure moléculaire mais la distribution moléculaire macroscopique. La localisation de l'objet digne d'intérêt dans un résonateur approprié dans un champ magnétique qui présente une variation spatiale, c'est-à-dire des gradients, permet d'accéder à ce type d'information. Dans ces conditions, la fréquence de résonance est donnée par l'équation: o = g,(BO+G.r) o G représente un vecteur de gradient tandis que r représente le vecteur de position dans l'échantillon. La résolution d'une image EPR dépend du nombre de paramètres incluant l'intensité du gradient de champ magnétique, la largeur intrinsèque de la résonance EPR de base des espèces en question (la "largeur de ligne"), le rapport signal sur bruit par élément de volume de l'échantillon, les processus de diffusion moléculaire etc. En général, la largeur de ligne EPR est de l'ordre de plusieurs Gauss (1 Gauss = 104 Tesla) ou de plusieurs mégahertz dans des unités de fréquence. La résolution R attendue sur la base des deux premiers paramètres peut être donnée comme suit: R=''1I/2 G O Av1/2 représente la largeur de ligne et G représente l'amplitude de gradient. Il est habituel de générer le gradient au moyen de jeux additionnels de bobines anti-Helmholtz ou Anderson localisés dans le champ magnétique principal. Lorsque des courants sont amenés à passer au travers de telles bobines refroidies à l'eau ou à l'air pulsé, des gradients importants peuvent être générés, lesquels présentent une amplitude jusqu'à environ 1 Tm-' (100 G cm-1). Un jeu de bobines est typiquement utilisé pour chacune des trois directions orthogonales de I'espace. Du fait que l'inverse de la largeur de ligne EPR est typiquement court par comparaison avec des temps de commutation de gradient, il est habituel d'acquérir le signal en présence du gradient puis de réorienter l'échantillon par rapport au gradient (par exemple en faisant tourner le gradient, en réglant les amplitudes de courant dans les deux jeux de bobines de gradient) afin d'obtenir une image bidimensionnelle. La reconstruction de la série résultante de "projections" conduit ensuite à l'image souhaitée. Comme rapporté par Maresch et suivants (Physica B, 138, 261, 1986), il est possible dans des circonstances spéciales de pulser le gradient et d'acquérir des images ESR en tant qu'imagerie de Fourier par résonance magnétique nucléaire (RMN). Ceci implique la construction d'un assemblage de bobines de gradient spécial habituellement petit présentant une inductance faible, ce qui permet des temps de croissance et de décroissance d'impulsion de gradient courts, I'expérimentation étant ensuite réalisée avec un échantillon ESR qui donne naissance à une unique résonance abrupte (la largeur de ligne étant de l'ordre de 20 à 50 kHz au lieu d'être dans la plage typique de 1 à 10 MHz) en l'absence de gradient. Objets de l'invention L'objet essentiel de la présente invention consiste à proposer un dispositif pour une imagerie par résonance paramagnétique électronique qui lève les exigences spéciales, les limitations et les inconvénients mis en exergue ci-avant. Un autre objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif pour une imagerie EPR en utilisant un gradient de champ survenant naturellement. Encore un autre objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif permettant d'utiliser un gradient de champ d'une amplitude d'un minimum de 5 T/m. Encore un autre objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif dénué de bobines de gradient, d'amplificateurs de gradient et du système de refroidissement associé pour générer des images EPR. Un objet supplémentaire de la présente invention consiste à proposer un dispositif pour former des images d'échantillons EPR tels que des radicaux de nitroxyde présentant une largeur de ligne plus importante dans la plage de 1 à 10 MHz. Encore un autre objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif permettant de réaliser une imagerie sur des systèmes de spectromètre/imageurs EPR cw/pulsés existants au moyen de l'addition d'un module de translation de pont de micro-ondes mais sans utiliser ni bobines de gradient, ni amplificateurs de gradient. Encore un autre objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif permettant d'acquérir des images ESR dans un mode cw de même que dans un mode de fonctionnement pulsé. Résumé de l'invention La nouveauté et la non évidence de la présente invention résident dans l'incorporation d'un module de translation de pont de micro-ondes (33) grâce auquel le résonateur qui contient l'échantillon peut être placé en un emplacement optimum approprié dans le champ, à la différence du cas du dispositif classique dans lequel l'échantillon placé dans le résonateur doit nécessairement être placé au centre du champ magnétique, cas classique qui nécessite des composants matériels additionnels et un système de commande additionnel pour générer le gradient; en lieu et place une utilisation optimum de l'intensité de champ et du gradient se produisant naturellement est assurée sans utiliser le système de composants matériels et de commande classique pour l'application d'imagerie. Brève description des dessins annexés Parmi les dessins accompagnant la présente description la figure 1 représente un schéma fonctionnel d'un spectromètre EPR (ESR) typique classiquement utilisé pour mesurer l'EPR. La figure 2 représente un schéma fonctionnel d'un spectromètre EPR (ESR) typique incluant un jeu de bobines de gradient pilotées par un amplificateur de gradient, utilisé pour une imagerie EPR. La figure 3 représente un schéma fonctionnel du dispositif de la présente invention pour une imagerie EPR avec un système de translation de pont de micro-ondes (MW). La figure 4 représente un profil x de Cr(V) hmba, en tant que détails de l'exemple 1. La figure 5 représente un profil y de Cr(V) hmba, en tant que détails de l'exemple 1. La figure 6 représente un profil x de 4-hydroxy-TEMPO, en tant que détails de l'exemple 2. La figure 7 représente un profil y de 4-hydroxy-TEMPO, en tant que détails de l'exemple 2. La figure 8 représente un profil x de 4-hydroxy-TEMPO, en tant que détails de l'exemple 3. La figure 9 représente un profil y de 4-hydroxy-TEMPO, en tant que détails de l'exemple 3. Les différents composants de la figure 1 sont comme suit: 1 source de rayonnement électromagnétique dans la région des micro-ondes ou RF 2 circulateur ou T magique 3 résonateur incorporant un couplage d'iris 4 modulateur détecteur de micro-ondes, par exemple un détecteur à diode 6 détecteur sensible à la phase (PSD) 7 convertisseur analogique-numérique (CAN) 8 ordinateur 9 aimant avec pôle Nord et pôle Sud bobines de modulation Les différents composants de la figure 2 sont comme suit: 11 source de rayonnement électromagnétique dans la région des micro-ondes ou RF 12 circulateur ou T magique 13 résonateur incorporant un couplage d'iris 14 modulateur détecteur de micro-ondes, par exemple un détecteur à diode 16 détecteur sensible à la phase (PSD) 17 convertisseur analogiquenumérique (CAN) 18 ordinateur 19 aimant avec pôle Nord et pôle Sud bobines de modulation 21 amplificateurs de gradient 22 bobines de gradient Les différents composants de la figure 3 sont comme suit: 23 source de rayonnement électromagnétique dans la région des micro-ondes ou RF 24 circulateur ou T magique résonateur incorporant un couplage d'iris 26 modulateur 27 détecteur de micro-ondes, par exemple un détecteur à diode 28 détecteur sensible à la phase (PSD) 29 convertisseur analogiquenumérique (CAN) 30 ordinateur 31 aimant avec pôle Nord et pôle Sud 32 bobines de modulation 33 module de translation de pont de micro-ondes Description détaillée de l'invention La présente invention est décrite ci-après en détail. L'échantillon sous investigation est placé à l'intérieur d'un résonateur classique 25 et est orienté à l'aide d'un goniomètre. Le résonateur 25 est localisé non pas au milieu de l'aimant principal 31 mais en lieu et place, dans une région au niveau de laquelle la variation spatiale du champ est supérieure à 5T/m. L'option de la translation commandée et reproductible de l'assemblage pont de micro- ondes/résonateur suivant deux ou trois directions orthogonales permet la localisation de ce même assemblage à la position favorable souhaitée dans le champ magnétique. Le résonateur 25 est ensuite accordé et adapté avec la source de fréquence et la modulation de champ est établie à une amplitude inférieure à la largeur de ligne de l'échantillon sous investigation. Le profil spectral EPR de l'échantillon est ensuite enregistré au moyen d'un procédé par balayage de champ classique. Le fait de faire varier la fréquence de modulation optimise le profil. Le même processus est répété pour obtenir un minimum de 12 profils, chacun avec une orientation différente de l'échantillon. Ces profils sont ensuite traités au moyen du procédé classique de reconstruction par projection incluant un décalage, une déconvolution et une rétroprojection afin de générer les images bidimensionnelles ou tridimensionnelles souhaitées. Conformément à la présente invention, on propose un dispositif pour une imagerie par résonance paramagnétique électronique qui comprend un pont de micro-ondes constitué par une source de rayonnement électromagnétique 23 dans la région des micro-ondes, et des éléments d'atténuation et de déphasage, la sortie de ladite source 23 est connectée à un premier bras d'un circulateur ou T magique 24 dont un autre bras est couplé à un résonateur 25 par l'intermédiaire d'un couplage d'iris, le troisième bras étant connecté à un détecteur de micro-ondes classique 27 dont la sortie est connectée à une première entrée d'un détecteur sensible à la phase (PSD) 28 dont une seconde entrée est connectée à une sortie d'un modulateur classique 26, la seconde sortie dudit modulateur 26 est appliquée sur les bobines de modulation 32 qui sont associées au résonateur 25, la sortie du PSD 28 étant appliquée sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) 29 dont une sortie est connectée à un ordinateur 30, le résonateur étant placé dans le champ magnétique entre le pôle nord et le pôle sud d'un aimant 31, l'amplitude de modulation de champ (en Gauss) étant inférieure à la largeur de ligne de l'échantillon sous investigation et le module de translation de pont de micro-ondes 33 pouvant être adapté pour le déplacement du pont 23, du circulateur 24, du résonateur 25 et du détecteur 27 de telle sorte que le résonateur 25 soit positionné de façon décentrée optimum dans le champ, I'imagerie étant formée dans soit le mode cw, soit le mode pulsé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la source de rayonnement électromagnétique utilisée peut être un klystron, un oscillateur à diode Gunn ou une diode à avalanche par impact et temps de transit (IMPATT). Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le résonateur utilisé peut être une structure hélicoïdale à onde lente, un résonateur diélectrique, un résonateur cylindrique, un résonateur rectangulaire ou un résonateur à fente. Selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention, le détecteur de micro-ondes est un détecteur à diode. Selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention, le moyen permettant d'orienter l'échantillon peut être un goniomètre réglable manuellement ou commandé par ordinateur. Selon un mode de réalisation supplémentaire de la présente invention, la réorientation de l'échantillon peut être telle que l'on fait varier l'angle polaire ou l'angle d'azimuth de l'échantillon par rapport au champ. Selon encore un mode de réalisation supplémentaire de la présente invention, le nombre de profils EPR à prendre pour générer l'image peut être de 12. Les exemples qui suivent sont présentés à titre d'illustration seulement et par conséquent, ils ne doivent pas être considérés comme limitant le cadre de la présente invention. Exemple 1 0,25 ml d'une solution de Cr(V) hmba (hmba = 2-hydroxy-2-acide méthylbutyrique) ont été admis dans deux tubes capillaires d'un diamètre de 2 mm, deux tubes vides d'un diamètre de 3 mm ont été interposés entre lesdits tubes de 2 mm et l'échantillon complet a été placé dans le résonateur à cavité TE102 rectangulaire standard d'un spectromètre EPR Bruker EMX 10/2.7 parallèle à la direction de champ magnétique z, la modulation de champ étant établie à une fréquence de kHz et à une amplitude de 2,0 G. Le résonateur a été déplacé de 10 cm par rapport à l'origine (le centre de l'aimant) suivant la direction horizontale x tout en étant centré suivant la direction z et la direction y verticale. Le profil de l'échantillon a été obtenu. L'échantillon a été ensuite réorienté en utilisant un goniomètre manuel de 15 par rapport à l'axe z. Le processus a été ensuite répété douze fois d'une façon similaire en soumettant l'échantillon à une réorientation de 15 chaque fois, d'o ainsi l'obtention de douze profils. Les profils peuvent être traités en utilisant un logiciel IDL pour obtenir une image bidimensionnelle de l'échantillon en conformité avec la morphologie de l'objet fantôme. La figure 4 et la figure 5 représentent respectivement des profils x et z typiques. Le profil x concerne l'échantillon orienté suivant la direction x o tous les tubes présentent la même coordonnée z mais différentes coordonnées x, les axes des tubes étant parallèles les uns aux autres ainsi qu'à y; la direction x est perpendiculaire à la direction de champ magnétique z et elle s'étend dans le plan horizontal. Le profil z concerne l'échantillon orienté suivant la direction z, tous les tubes présentant la même coordonnée x mais des coordonnées z différentes, les axes des tubes étant parallèles les uns aux autres et à y. Exemple 2 0,25 ml d'une solution de 4-hydroxy-TEMPO (TEMPO = 2,2,6,6- tétraméthyl piperidine-1-radical oxyl) ont été admis dans deux tubes capillaires courts d'un diamètre de 2 mm, deux tubes vides courts d'un diamètre de 3 mm ont été interposés entre lesdits tubes de 2 mm, et l'échantillon complet a été placé dans un résonateur diélectrique connecté à un spectromètre EPR Bruker EMX 10/2.7 parallèle à la direction de champ magnétique z, la modulation de champ étant établie à une fréquence de 100 kHz et à une amplitude de 4,0 G. Le résonateur a été déplacé de 10 cm par rapport à l'origine (le centre de l'aimant) suivant la direction x horizontale tout en étant centré suivant la direction z et la direction y verticale. Le profil de l'échantillon a été obtenu. L'échantillon a été ensuite réorienté en utilisant un goniomètre manuel de 10 par rapport à l'axe z. Le processus a été ensuite répété dix-huit fois d'une manière similaire en soumettant l'échantillon à une réorientation de 10 chaque fois, d'o ainsi l'obtention de dix-huit profils. Les profils peuvent être traités en utilisant un logiciel IDL afin d'obtenir une image tridimensionnelle de l'échantillon en conformité avec la morphologie de l'objet fantôme, après montage orthogonal du fantôme suivi par une procédure de rotation similaire à ce qui précède. La figure 6 et la figure 7 représentent respectivement des profils x et z typiques. Exemple 3 0,25 ml d'une solution de 4-hydroxy-TEMPO ont été admis dans deux tubes capillaires d'un diamètre de 2 mm, deux tubes vides d'un diamètre de 3 mm ont été interposés entre lesdits tubes de 2 mm, et l'échantillon complet a été placé dans un résonateur cylindrique connecté à un spectromètre EPR Bruker EMX 10/2.7 parallèle à la direction de champ magnétique z, la modulation de champ étant établie à une fréquence de 100 kHz et à une amplitude de 4 G. Le résonateur a été déplacé de 10 cm par rapport à l'origine (le centre de l'aimant) suivant la direction x horizontale tout en étant centré suivant la direction z et la direction y verticale. Le profil de l'échantillon a été obtenu. L'échantillon a été ensuite réorienté en utilisant un goniomètre manuel de 10 par rapport à l'axe z. Le processus a été ensuite répété dix-huit fois d'une manière similaire en soumettant l'échantillon à une réorientation de 100 chaque fois, d'o ainsi l'obtention de dix-huit profils. Les profils peuvent être traités en utilisant un logiciel IDL pour obtenir une image bidimensionnelle de l'échantillon en conformité avec la morphologie de l'objet fantôme. La figure 8 et la figure 9 représentent respectivement des profils x et z typiques. Les avantages principaux de la présente invention sont les suivants. 1. Le dispositif de la présente invention permet une translation commandée et reproductible de l'assemblage pont de micro- ondes/résonateur suivant deux ou trois directions orthogonales afin de localiser ou positionner le résonateur à la position favorable souhaitée dans le champ magnétique. 2. Le gradient de champ se produisant naturellement seul est utilisé pour l'imagerie EPR par le présent dispositif. 3. Le présent dispositif est dénué de bobines de gradient, d'amplificateurs de gradient et du système de refroidissement associé pour générer des images EPR. 4. Une amplitude de modulation de champ est maintenue au dessous de celle de la largeur de ligne de l'échantillon. 5. Une imagerie d'échantillons EPR tels que des radicaux de nitroxyde, présentant une largeur de ligne plus importante dans la plage de 1 à 10 MHz, est possible en utilisant le dispositif de la présente invention. 6. Le dispositif permet l'acquisition d'images ESR dans le mode cw de même que dans le mode de fonctionnement pulsé. 7. La présente invention procure un dispositif d'imagerie dans des systèmes de spectromètre/imageurs EPR pulsés/cw existants au moyen de l'addition d'un module de translation de pont de micro-ondes mais sans utiliser ni bobines de gradient, ni amplificateurs de gradient. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour une imagerie par résonance paramagnétique électronique caractérisé en ce qu'il comprend un pont de micro-ondes constitué par une source de rayonnement électromagnétique (23) dans la région des microondes, et des éléments d'atténuation et de déphasage, la sortie de ladite source (23) est connectée à un premier bras d'un circulateur ou T magique (24) dont un autre bras est couplé à un résonateur (25) par l'intermédiaire d'un couplage d'iris, le troisième bras étant connecté à un détecteur de micro-ondes classique (27) dont la sortie est connectée à une première entrée d'un détecteur sensible à la phase (PSD) (28) dont une seconde entrée est connectée à une sortie d'un modulateur classique (26), la seconde sortie dudit modulateur (26) est appliquée sur les bobines de modulation (32) qui sont associées au résonateur (25), la sortie du PSD (28) étant appliquée sur un convertisseur analogique- numérique (CAN) (29) dont une sortie est connectée à un ordinateur (30), le résonateur (25) étant placé dans le champ magnétique entre le pôle nord et le pôle sud d'un aimant (31), le module de translation de pont de micro-ondes (33) pouvant être adapté pour le déplacement du pont (23), du circulateur (24), du résonateur (25) avec l'échantillon et du détecteur (27) de telle sorte que le résonateur (25) soit positionné de façon décentrée optimum dans le champ magnétique, l'imagerie étant réalisée dans soit le mode cw, soit le mode pulsé. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement électromagnétique qui est utilisée est choisie parmi le groupe comprenant un klystron, un oscillateur à diode Gunn et une diode à avalanche par impact et temps de transit (IMPATT). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur de micro-ondes est un détecteur à diode. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur utilisé est choisi parmi le groupe comprenant une structure hélicoïdale à onde lente, un résonateur diélectrique, un résonateur cylindrique, un résonateur rectangulaire et un résonateur à fente. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les amplitudes de modulation de champ sont dans la plage de 2 à 4 Gauss. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour orienter l'échantillon comprend un goniomètre réglable manuellement ou commandé par ordinateur. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réorientation de l'échantillon est mise en oeuvre de façon à faire varier I'angle polaire ou l'angle d'azimut de l'échantillon par rapport au champ magnétique.