Brevet FR3051284A1 — publié le 20171117

ANTENNE FILAIRE COURTE POUR UTILISATION EN SPECTROSCOPIE ET IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE La présente invention concerne les antennes filaires courtes multibrins et leurs utilisations en champ proche dans des procédés d'imagerie et/ou de spectrométrie par 5 résonance magnétique nucléaire (RMN). Le phénomène de RMN, qui est révélé dès lors qu'un moment magnétique nucléaire est placé dans un champ magnétique (Bo), s'est imposé dès sa découverte comme un moyen d'investigation par spectroscopie incontournable en chimie et en physique. L'adjonction de bobines de gradient de champ magnétique a permis la 10 localisation du signal de RMN et a marqué l'avènement de l'imagerie par RMN. Les bobines de gradient modifient le champ magnétique local permettant, in fine, de réaliser des images par résonance magnétique nucléaire (IRM). Dans un champ magnétique homogène Bo, les spins de l'échantillon observé précessent à la fréquence de Larmor (coo) selon coo-yBo. Si l'on superpose au champ principal Bo celui généré par les bobines de 15 gradient: B9 (x, y, z) = HaBg x _FaBg y +Mg ), ax ay az Z Z l'expression du champ résultant montre que la fréquence de précession des spins dépend de leur position : a& a& a& wo+ 8w(x,y,z)=y(Bo+=ax x+=y+az z). ay Ainsi, le champ magnétique créé par les bobines de gradient permet notamment de sélectionner un plan de coupe (transversal, frontal, sagittal ou oblique) et de déterminer 20 la localisation spatiale des signaux dans ce plan. Cependant, l'utilisation de bobines de gradient conduit à des systèmes complexes et volumineux présentant de nombreux inconvénients : coût, consommation électrique élevée, bruit, et justifient l'intérêt pour une localisation du signal de RMN sans gradient, comme illustré dans la publication de Sharp et al. : « MRI using radiofrequency 25 magnetic field phase gradients ». En outre, on voit poindre un intérêt grandissant pour des équipements d'IRM portables pour lesquels l'intégration de bobines de gradient représente une difficulté majeure. 3051284 2 La détection du signal de RMN a été historiquement réalisée grâce au phénomène physique de l'induction électrique au moyen d'une antenne réceptrice comportant une ou plusieurs bobines accordées à la fréquence du noyau à mesurer dans le champ magnétique Bo et adaptées à l'impédance standard de 50 Ohms, comme le montre par exemple la publication « The nuclear induction experiment » de Bloch F. et al. Ce mode de détection reste la règle. Une grande variété de bobines a été mise au point et a été utilisée pour l'observation du signal de RMN: bobine de Helmholtz, bobine selle, bobine en forme de cage d'oiseau ou encore bobine millipède, comme illustré dans l'ouvrage « ArAiR Probehead: for biophysicals and biological experiments », Ed. Imperial College, (2006) de Mispelter, Lupu & Briguet. Toutes ces bobines appartiennent à la catégorie des antennes à détection inductive dont le principe de mesure repose principalement sur l'apparition d'une tension proportionnelle à la composante magnétique du rayonnement électromagnétique, à la différence des antennes filaires dont le principe de mesure tient essentiellement à l'apparition d'un courant électrique dépendant de la composante électrique du rayonnement électromagnétique. Afin de pouvoir réaliser des expériences de RMN, outre le champ magnétique statique principal Bo puissant et stable produit souvent par un aimant supraconducteur qui crée des alignements des moments magnétiques de spin au champ Bo, un champ magnétique oscillant B1 plus faible, dans le domaine des radiofréquences (RF), est nécessaire. Ce champ oscillant B1 est sous forme d'une séquence d'impulsions RF et est traditionnellement réalisé au moyen de bobines émettrices et appliqué de façon à légèrement modifier l'alignement des moments magnétiques (spins) et produire un phénomène de précession des aimantations nucléaires qui demeurent en phase dans le plan transverse à Bo qui s'accompagne d'un champ électromagnétique mesurable. Il est nécessaire d'accorder la fréquence de fonctionnement des bobines émettrices à la fréquence des noyaux à imager et d'adapter leur impédance (à la fréquence de fonctionnement envisagée) à l'impédance d'entrée de l'amplificateur de puissance (standard de 50 Ohms), de façon à optimiser le transfert de puissance. Ainsi, l'application du champ B1 pendant une durée T, va faire basculer l'aimantation vers le plan de la détection d'un angle : B1 = yB1r éq. (1) 3051284 3 En pratique, les séquences IRM utilisent soit des combinaisons d'impulsions RF (n/2+n), connues sous le nom de séquence d'écho de spin, pour compenser les inhomogénéités du champ statique Bo, soit une simple bascule d'un angle donné 0/, séquence connue sous le nom d'écho de gradient. L'application des impulsions 5 radiofréquences en relation avec celles des gradients du champ magnétique permet la localisation spatiale du signal. Lorsque les bobines ne sont utilisées qu'en réception, l'adaptation d'impédance est moins contraignante et le simple accord de la fréquence de fonctionnement peut suffire. De nombreuses configurations de circuit électronique d'accord-adaptation peuvent être 10 utilisées pour les bobines, comme illustré dans la publication de Mispelter, Lupu&Briguet susmentionnée, ou encore dans la publication « Tunable electrically small Antennas » de John A.M. Lyon, Alan G-T Chaet Mohamed A. Hidayet. On cherche généralement à obtenir un signal homogène, c'est-à-dire un champ B1 monodirectionnel et d'amplitude constante sur le plus grand volume possible, ce qui 15 nécessite des conformations de bobines spécifiques, par exemple bobine solénoïde, bobine de Helmholtz, bobine selle, etc. dont le dimensionnement est alors contraint par le respect de règles géométriques. Par exemple, dans le cas des bobines de Helmholtz, la distance entre les deux spires doit être égale à leur rayon. Il existe également des contraintes sur les longueurs des fils, lesquelles sont typiquement inférieures à 2\110, où X, est la longueur 20 d'onde associé au champ RF utilisé, d'après la publication de Mispelter, Lupu & Briguet. L'homogénéité du signal est alors la résultante de l'homogénéité à l'émission, avec un angle de bascule qui dépend de la localisation du spin: 01(x, y, z) = y/31(x, y, z)r et de la détection qui est proportionnelle au facteur B1(x, y, z)//. Au final, le signal de RMN (e) fourni par une antenne inductive subit cette 25 double dépendance sous la forme : e oc 611(x, y, z) sin [01(x, y, z)] éq. (2) C'est la raison qui amène à concevoir des bobines pour lesquelles le volume d'intérêt présente la meilleure homogénéité possible de É'1(x, y, z) en termes de direction et d'amplitude. Ceci est souvent réalisé par des configurations appropriées de répartition de 30 fils conducteurs et de déphasage des courants parcourant les fils. Un exemple connu est celui de la bobine dite en cage d'oiseau ou «birdcage» divulguée par Hayes et al. dans l'article «An Efficient, Highly Homogeneous 3051284 4 Radio frequency Coil for Whole-Body NMR Imaging at 1.5T». Dans une bobine « birdcage », une pluralité de N fils conducteurs, disposés de manière uniforme entre deux anneaux conducteurs et présentant chacun une capacité, va produire un déphasage 8q) du courant au sein de chaque conducteur à une pulsation w donnée, où w=2it/f, f étant la 5 fréquence du courant d'alimentation de la bobine. Le déphasage total est un multiple M de 2n, soit Nx &p =M27c, afin de favoriser une répartition sinusoïdale du courant entre les N fils, condition connue pour l'obtention de l'homogénéité du champ magnétique généré. Ainsi la bobine « birdcage » permet de créer un champ magnétique oscillant RF B1 qui est sensiblement homogène dans le volume cylindrique à l'intérieur de la bobine. 10 Une autre configuration est divulguée par Bolinger et al. dans «A Multiple- Frequency Coil with a Highly Uniform B1 Field », où le déphasage temporel des courants est remplacé par une répartition non uniforme des conducteurs. Les courants ont même valeur dans tous les fils. Les fils conducteurs sont disposés autour d'un cylindre, de manière à favoriser une distribution de la densité de courant définie par l'équation 15 (9) = -2r131 COS(6)k où 0 est l'angle azimutal cylindrique du fil. Le brevet US 5270656 décrit un système bi-planaire comportant des bobines se situant dans deux plans parallèles pour créer un champ RF homogène dans un volume entre ces plans. Par ailleurs, on voit aussi émerger de nouveaux modes de détection comme 20 celui qu'offrent les antennes filaires. Ces antennes filaires sont accordées en fréquence et adaptées en impédance par conception, par utilisation d'une longueur caractéristique X14 sur substrat diélectrique, comme expliqué dans la publication de Raaijmakers M et al. : « Design of a Radiative Surface Coil Array Element at 7 T:- The Single-Side Adapted Dipole Antenna ». Elles peuvent être utilisées en champ lointain en modulant l'épaisseur du 25 substrat diélectrique, mais aussi en champ proche comme décrit dans les publications d'O. Ocali et E. Atalar: « Intravascular magnetic resonance imaging using a loopless catheter antenna » ou de Halidi et al.: « Evanescent Waves Nuclear Magnetic Resonance ». Le brevet US 6771070 divulgue un système d'antennes utilisé en détection de signaux électromagnétiques. Le système comporte des brins conducteurs disposés en 30 parallèle, chacun étant connecté à une chaine de réception. Les brins sont accordés à la fréquence du signal à détecter et d'une longueur égale à un multiple entier de k/4 où X, est la longueur d'onde du signal à détecter. 3051284 5 Les antennes filaires peuvent être combinées pour constituer un réseau d'antennes afin de couvrir une région de l'espace donnée et ainsi produire une image, comme indiqué dans la publication de Raaijmakers AJ et al.. Dans le cas d'antennes filaires courtes, monopole ou dipôle de longueur L REVENDICATIONS1. Antenne filaire courte (13; 14; 12; 17; 15; 16) pour l'émission d'une séquence d'impulsions de champ magnétique radiofréquence(RF) dans un procédé d'imagerie et/ou de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), l'antenne filaire courte comportant une pluralité de brins (31; 41; 21; 71; 51; 61) s'étendant au moins partiellement selon une direction Z, dans un repère orthogonal ayant un axe z défini par la direction Z, les brins étant disposés de telle manière à ce que les courants parcourant les brins (31; 41; 21; 71; 51; 61) de chaque antenne (13; 14; 12; 17; 15; 16) présentent une même intensité à une même position selon l'axe z . 2. Antenne filaire courte selon la revendication 1, la répartition des brins autour de l'axe z et les phases des courants les parcourant étant choisies pour créer un champ magnétique oscillant RF (Bi) homogène dans une pluralité de plans x-y perpendiculaires à l'axe z, les brins (31; 41; 21; 71; 51; 61) ayant de préférence une même longueur (L). 3. Antenne filaire courte selon la revendication 1 ou 2, les brins (31; 41; 21; 71) de chaque antenne (13; 14; 12; 17) s'étendent parallèlement à l'axe z. 4. Antenne filaire courte selon la revendication 1 ou 2, les brins comportant une portion radiale (5; 6) s'étendant radialement depuis un centre (C) dans un plan perpendiculaire à l'axe z. 5. Antenne selon la revendication 4, la portion radiale (5) étant suivie par une portion (52) s'étendant parallèlement à la direction Z. 6. Antenne selon la revendication 4 ou 5, les portions radiales (6) étant en forme d'étoile. 7. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, les brins (31, 41) étant reliés à une extrémité par au moins deux conducteurs (37, 47) respectifs, les au moins deux conducteurs (37, 47) étant disposés à une même hauteur selon l'axe z. 8. Antenne selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'antenne comportant N ensembles de quatre brins répartis sur la circonférence d'un cercle où N est un nombre entier supérieur à 1, la position des brins étant définie par les angles 0, où 0n sont les solutions du système : 3051284 N 24 (k = 1) (COS(36173) = 0 (k = j) (COS((2i + 1)6171)) = 0 (k = N) (cos((2N + 1))On) = 0 n=1 N { n=1 N n=1 9. Antenne selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, l'antenne comportant une paire de deux brins centraux et N ensembles de quatre brins répartis sur la circonférence d'un cercle où N est un nombre entier supérieur à 1, les fils de conducteurs 5 centraux étant disposés respectivement sur le cercle à angle azimutal égal à 0 et n et la position des brins étant définie par les angles 0, où On sont les solutions du système 1 -F N (k = 1) (cos(361n)) = 0 (k = j) n=1 (k = N) N 1 + (COS((2i + 1)61n)) = 0 n=1 ... N 1 (cos((2N 1))On) = 0 n=1 10. Système d'antennes pour l'émission d'une séquence d'impulsions de champ magnétique RF et la détection de signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN) dans 10 un procédé d'imagerie et/ou de spectroscopie par RMN, comportant une première et une deuxième antenne filaire courte (12, 17) selon l'une quelconque des revendications précédentes, les deux antennes filaires courtes (12, 17) étant imbriquées de manière tête-bêche l'une par rapport à l'autre. 11. Système d'antennes selon la revendication 10, les brins (21) de la première 15 antenne (12) ayant même longueur (L) que les brins (17) de la deuxième antenne (71). 12. Procédé d'imagerie et/ou de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), comportant au moins les étapes consistant à : - générer un champ magnétique constant Bo dans une région où un objet à examiner est présent, 20 - émettre au moins une séquence d'impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF), 3051284 25 - détecter des signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN), procédé dans lequel l'émission de la ou les séquences d'impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF) est réalisée par une antenne filaire courte selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ou par un système d'antennes selon la revendication 10 ou 11. 5 13. Procédé selon la revendication précédente, mise en oeuvre par l'antenne filaire courte ou par le système d'antennes, les brins de la ou les antennes délimitant les limites d'un volume de mesure, de préférence ayant au moins une ouverture selon la direction Z. 14. Procédé selon la revendication précédente, comportant au moins une étape 10 de sélection spatiale d'un plan x-y de détection perpendiculaire à l'axe z dans le volume de mesure, de préférence en choisissant, entre autres, une durée (r) d'application d'un pulse de calibration de la séquence d'impulsions RF et/ou une tension ou puissance d'alimentation de l'antenne lors de l'application du pulse de calibration. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, la détection des 15 signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN) étant réalisée par au moins une antenne inductive. 16. Procédé d'imagerie et/ou de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), comportant au moins les étapes de génération un champ magnétique constant Bo dans une région d'un objet à examiner, d'émission d'au moins une séquence 20 d'impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF), détection de signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN), procédé dans lequel la détection de signal de résonance magnétique nucléaire (RMN) est réalisée par un système d'antennes selon la revendication 10 ou 11. 17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'émission de la ou des 25 séquences d'impulsions radiofréquence (RF) est réalisée par au moins une antenne inductive. 18. Procédé selon la revendication 16, dans lequel l'émission de la ou des séquences d'impulsions radiofréquence (RF) est réalisée par l'une des première et deuxième antennes filaires courtes (12; 17). 30 19. Procédé selon l'une des revendications 12 à 18, la ou chaque antenne (13; 14; 12; 17; 15) étant de type monopole ou de type dipôle. 3051284 26 20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 19, la ou les antennes filaires courtes étant utilisées en champ proche. 21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 20, les brins étant de préférence flexibles, et le procédé comportant une étape de mise en place des brins sur 5 l'objet à examiner de manière à épouser au moins partiellement la forme de ce dernier. 22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 21, le procédé étant utilisé pour analyser le stress hydrique dans des végétaux. 23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 22, le procédé étant utilisé pour analyser la structure des tissus dans des végétaux. 10 24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 22, le procédé étant utilisé pour identifier des composés. 25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 24, dans lequel la ou les antennes sont immergées dans un échantillon comportant une matière à caractériser. 26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 24, dans lequel la 15 ou les antennes sont utilisées en dehors d'un échantillon comportant une matière à caractériser.