EP1711839A1 - Cavite resonante de haute frequence pour la resonance magnetique nucleaire, utilisant des lignes de transmission radio-frequence. - Google Patents

Cavite resonante de haute frequence pour la resonance magnetique nucleaire, utilisant des lignes de transmission radio-frequence.

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Publication number
EP1711839A1
EP1711839A1 EP05717704A EP05717704A EP1711839A1 EP 1711839 A1 EP1711839 A1 EP 1711839A1 EP 05717704 A EP05717704 A EP 05717704A EP 05717704 A EP05717704 A EP 05717704A EP 1711839 A1 EP1711839 A1 EP 1711839A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonant cavity
segments
cavity according
transmission lines
bar
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05717704A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Michel Luong
Xavier Hanus
Michel Desmons
Franck Lethimonier
Eric Giacomini
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1711839A1 publication Critical patent/EP1711839A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/34046—Volume type coils, e.g. bird-cage coils; Quadrature bird-cage coils; Circularly polarised coils

Definitions

  • the present invention relates to a high frequency resonant cavity (in English "high-frequency cavity resonator”), more particularly, an antenna of high frequency resonant cavity type, using radio frequency transmission lines, these transmission lines preferably being tunable.
  • the invention applies in particular to NMR devices, that is to say of Nuclear Magnetic Resonance (in English “Nuclear Magnetic Resonance”) and, more particularly, to those which are intended for biological and medicinal examinations.
  • This high frequency resonant cavity is used to generate a field called "Bl field”, which is a high frequency electromagnetic field, or radio frequency field (R), having a magnetic component, in order to excite the nuclei of the atoms studied, c that is to say all those which are detectable by NMR, which are found in the object examined, placed in the cavity, and then for picking up the very weak radiofrequency field which results from the NMR phenomenon.
  • Bl field is a high frequency electromagnetic field, or radio frequency field (R), having a magnetic component, in order to excite the nuclei of the atoms studied, c that is to say all those which are detectable by NMR, which are found in the object examined, placed in the cavity, and then for picking up the very weak radiofrequency field which results from the NMR phenomenon.
  • This cavity has been studied to excite and more particularly capture the signal of the proton of the hydrogen atom.
  • This high frequency resonant cavity can be used in the field of NMR, that is to say Nuclear Magnetic Resonance (in English “Nuclear Magnetic Resonance”), more particularly for examining the head of a subject by MRI ( Magnetic Resonance Imaging), but also in the field of SRM, that is to say Magnetic Resonance Spectroscopy (in English “Magnetic Resonance Spectroscopy”).
  • NMR nuclear Magnetic Resonance
  • SRM Magnetic Resonance Spectroscopy
  • a shielded high frequency resonant cavity in English "shielded"
  • bird cage type in English "bird cage”
  • a shielded high frequency resonant cavity in English "shielded”
  • - shielding in English "shield” which surrounds this set of transmission lines
  • one or more loops in English
  • each of these lines comprises an external, hollow cylinder and conductor, containing a hollow internal cylinder, which is made of a dielectric material and inside which are placed two central conductors, at least one of the latter being axially movable.
  • An external shield is coupled to the central conductors via the ends of the external cylinder, by means of sliding contacts.
  • the mechanical displacement of the mobile central conductor has the effect of modifying the capacity (in English “capacitance”) of the transmission line, which allows an adjustment of the resonance frequency.
  • Document [3] uses transmission lines, such as those disclosed in document [1], to form a resonant cavity of the bird cage type.
  • this document describes a mechanical system allowing several transmission lines to be tuned simultaneously.
  • the resonant cavities known from the cited documents have the drawback of not working properly when used at high values of magnetic field, of the order of 9 T or more, and / or at high frequencies, of 1 'order of 400 MHz or more, in order to increase the signal / noise ratio.
  • the subject of the present invention is a high frequency resonant cavity, which does not have the drawbacks of the known resonant cavities mentioned above.
  • a cavity according to the invention is an improvement of the latter, thanks to transmission lines of original structure and to the combination of these transmission lines with the shielding that the cavity comprises. Numerical simulation techniques, which are particularly well suited to this type invention, optimize the parameters of this cavity.
  • a tuning system is provided with which transmission lines can be provided.
  • An essential aspect of the invention resides in the structure of the transmission lines, this structure differing from that found in documents [1] to [3].
  • a transmission line is not a coaxial structure of conductive materials alternating with dielectric materials, nor a structure of ribbons of rectangular section: in the invention, it is a bar rectilinear and segmented which is (or is made) electrically conductive and provided with thin dielectric elements, interposed between the cylindrical conductive segments of the bar.
  • similar principles are used in the field of traveling wave particle accelerators (in English "traveling wave particle accelerators") but the structures which are the subject of the invention are quite original in the field of NMR , which is very far from the previous one.
  • the thickness of the dielectric elements we adjust the thickness of the dielectric elements, the material of which they are made and the number of these elements per transmission line, as well as the number of such lines in the resonant cavity, in view to adapt the parameters of the latter as well as possible (in particular the quality factor, the working frequency and the homogeneity of the field) and to obtain a set of lines whose dimensions are compatible with the volume of the cavity.
  • the working frequency of the latter can be finely adjusted by modifying the thickness of the dielectric elements, for example by deformation of the latter.
  • the shielding may include a reentrant cylindrical section at the opening.
  • a reentrant cylindrical section advantageously makes it possible to reduce the losses of electromagnetic energy by radiation at the level of the opening and limits the disturbances of the cavity by the object, in particular the head. It is possible to design a resonant cavity in accordance with the invention, capable of operating under a magnetic field of 11.7 T, at 500 MHz, with a volume homogeneity better than 5% over a cylindrical volume of 190 mm in diameter, equivalent to a head.
  • transmission lines having the original structure mentioned above can be used in fields other than MRI, for example SRM.
  • the present invention relates to a high frequency resonant cavity for nuclear magnetic resonance, comprising a set of transmission lines and a shield which surrounds these transmission lines, characterized in that each of these transmission lines comprises a straight bar which is divided into elongated cylindrical segments, these segments being electrically conductive or made electrically conductive, the bar being provided with thin dielectric elements which are interposed between the segments.
  • the length of the cylindrical segments is thus much greater than that of the electrically insulating intervals where the thin dielectric elements are inserted.
  • the diameter of the conductive segments is preferably much less than the working wavelength.
  • the cylindrical segments are made of a dielectric material whose external surface is made electrically conductive.
  • the cylindrical segments and the dielectric elements of the same bar have substantially the same diameter.
  • the different conductive cylindrical segments of the same bar are of different lengths, calculated to obtain the best homogeneity of the field at the center of the resonant cavity.
  • a bar successively comprises segments whose respective lengths are 50mm, 14mm, 44mm, 60mm, 44mm, 14mm and 50mm.
  • this line is provided with frequency tuning means, these means agree being able to modify the thickness of the dielectric elements.
  • the dielectric elements are elastically deformable.
  • the dielectric elements are of substantially circular section.
  • the dielectric elements have a main surface substantially perpendicular to the axis of the bar.
  • the segments and the dielectric elements comprise holes, each transmission line further comprising dielectric and straight connection pieces which pass through the holes and on which the segments and the dielectric elements are suitable to slide.
  • the transmission lines are of substantially circular section.
  • the dielectric elements have a main surface substantially perpendicular to the axis of the bar.
  • the segments and the dielectric elements comprise holes, each transmission line further comprising dielectric and straight connection pieces which pass through the holes and on which the segments and the dielectric elements are suitable to slide.
  • the transmission lines are of substantially circular section.
  • the dielectric elements have a main surface substantially perpendicular to the axis of the bar.
  • the segments and the dielectric elements comprise holes, each transmission line further comprising dielectric and straight connection pieces which pass through the holes and on which the segments and the dielectric elements are suitable to slide.
  • the transmission lines are of substantially circular section.
  • the high frequency resonant cavity may have two ends which are respectively open and closed.
  • the shielding of the cavity can have a cylindrical structure. In these two cases, the shielding may include a reentrant part on the side of the open end of the cavity.
  • an electrically conductive connection is established between each bar and the shielding.
  • the resonant cavity, object of the invention can be used in magnetic resonance imaging as a transmitting or receiving system. It can also be used in the field of Magnetic Resonance Spectroscopy as a transmission or reception system.
  • the present invention also relates to a nuclear magnetic resonance apparatus comprising a high frequency resonant cavity according to the invention.
  • a waveguide with multiple conductors consisting of a transmission line connected to a set of transmission lines, or elementary conductors, characterized in that these elementary conductors are arranged on a cylinder and in that the axes of these elementary conductors are substantially parallel to the axis of the cylinder, and in that each of these transmission lines, or elementary conductors, comprises a rectilinear bar divided into elongated cylindrical segments, these segments being electrically conductive or made electrically conductive, the bar being provided with thin dielectric elements which are interposed between the segments, the set of elementary conductors being connected conductively to a shield which surrounds this set.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of the geometry of a multi-conductor waveguide, according to the invention, and also illustrates modes of propagation of electromagnetic waves in this guide
  • Figures 2A and 2B schematically illustrate, in longitudinal section ( Figure 2A) and in cross section ( Figure 2B), an example of an antenna, or resonant cavity, according to the invention for digital simulation
  • Figures 3A and 3B schematically illustrate, in cross section ( Figure 3A) and in longitudinal section (Figure 3B), the transverse magnetic field Bl at 500 MHz in the example of antenna of Figures 2A and 2B
  • Figures 4A, 4B and 4C schematically illustrate, in cross section (FIG.
  • FIG. 5 represents the variations of the normalized amplitude A d u field Bl along two orthogonal axes x (curve I) and y (curve II), at the center of the example antenna according to the invention, starting from the axis z of the antenna, which is orthogonal to the x and y axes, the x, y and z axes having a point of intersection 0,
  • FIGS. 6A, 6B and 6C illustrate diagrammatically, in cross section (FIG. 6A) and in longitudinal section along two orthogonal planes (FIGS.
  • FIGS. 7A and 7B are respectively a schematic perspective view and a schematic longitudinal section view of an example of the antenna object of the invention, only 4 of the 32 bars comprising this antenna being represented
  • - Figures 8A and 8B are schematic perspective views of elements of the antenna of Figures 7A and 7B, provided with a metal coating
  • - Figures 9A and 9B are schematic perspective views of dielectric elements of this antenna
  • - Figures 10A and 10B are schematic perspective views of a deformable patch ( Figure 10A) and a connecting piece ( Figure 10B) used in this antenna
  • - Figures 11A and 11B are schematic perspective views of cylindrical sections which are provided with a metallic coating and form the bars of this antenna.
  • a high frequency resonant cavity also called volume RF coil, designed to examine the head of a subject by NMR, becomes critical when the effective wavelength of the RF field becomes close to the size of the sample. (head).
  • the working frequency of the cavity must be adjusted to the Larmor frequency which is proportional to the intensity of the magnetic field longitudinal and static (generally noted BO) of the MRI apparatus.
  • the invention is intended for an MRI system operating at 11.7 T. Consequently, the frequency of
  • Larmor 500 MHz for the core (in English
  • Nucleus studied by MRI, in this case the proton of the hydrogen atom.
  • the design of an RF coil according to the invention must respond to a double challenge, namely to maintain a quality factor and a homogeneity of transverse field Bl which are acceptable.
  • the present invention proposes a new design of the resonant cavity, allowing the latter to operate at 500 MHz and beyond (these values being given by way of example, other values being possible). This design must satisfy a strong dimensional constraint imposed by the realization of the coil which generates the B0 field in the MRI system and by that of the gradient coils.
  • the diameter (respectively the length) of the volume RF coil is limited to about 350 mm (respectively 300 mm).
  • the basic principle of the design of the resonant cavity according to the invention consists in producing a ⁇ / 2 or ⁇ / 4 type resonator from a transmission line.
  • the constraint on the transverse dimension and the operating frequency definitively rules out the possibility of using a line with a single conductor, whatever the geometry of its section, because of the cut-off frequency (in English "cut-off frequency"").
  • the choice of a line with multiple conductors is therefore imperative.
  • the choice is directed towards a line comprising a cylindrical conductive envelope E (see the Figure 1), whose axis has the reference z in Figure 1, this envelope (shielding) surrounding several other conductors C (or straight conductive bars) which are parallel to the z axis and uniformly distributed on a cylinder (from the point geometric view) whose axis is also the z axis.
  • the references x and y represent axes which are orthogonal to each other and to the z axis.
  • FIG. 1 For this, an eigenmode search algorithm is applied to the section of the guide in 2 dimensions, with an electrical boundary condition along the y axis and a magnetic boundary condition the along the x axis.
  • This modeling is equivalent to an excitation of the guide (cavity) by a magnetic coupling loop, placed for example at the abscissa + x between the envelope E and one of the conductors C, and whose surface is perpendicular to the axis y .
  • Eight modes of propagation are thus obtained. They are denoted Ml, M2, ..., M8 and schematically illustrated in FIG. 1.
  • the modes M1, M7 and M8 are preferentially excited by the loop. Since the useful mode is the M8 mode, the geometry has been determined so that the superposition of the Ml and M7 modes does not deteriorate its homogeneity but tends, on the contrary, to improve it.
  • the wavelength of the TEM modes which is 60 cm at 500 MHz, does not exclude the principle of a ⁇ / 2 resonator, compatible with the constraint on the length of the cavity.
  • the boundary conditions had to be identical at the two ends of the cavity, one of these ends being necessarily open in the case of a coil intended to examine the head. But two openings would induce too much radiation loss at 500 MHz and would drastically degrade the quality factor of the cavity.
  • An innovative aspect of a resonant cavity according to the present invention lies in the introduction of thin dielectric discontinuities on the cylindrical internal conductors acting as discrete capacitors, in order to obtain a ⁇ / 4 type resonator, preferably over a length. 300 mm.
  • traveling wave accelerating structures in English "traveling waves”
  • obstacles such as drilled discs, regularly arranged in a circular waveguide, make it possible to decrease the phase speed (in English "phase velocity ») And create bandwidths (in English" pass-Iband ”) and cut-off bands (in English" stop-band ").
  • FIG. 2A and 2B schematically illustrate a model of an antenna according to the invention for digital simulation with a view to optimizing the latter.
  • the reference T designates the zone of interest for the examination by NMR, this zone being materialized by a sphere (section view).
  • the antenna, or resonant cavity, according to the invention comprises an electrically conductive envelope e (shielding) one end of which is open and the other end of which is closed.
  • the antenna also comprises, in the envelope, internal electrical conductors c (or conductive cylindrical bars) which are parallel to the axis z of the envelope.
  • each internal conductor consists of a juxtaposition axial of sections, or segments, elongated cylindrical conductors 1, which are electrically isolated by thin dielectric pads 2 each constituting an interval (in English "gap") for the conductors.
  • Another important advantage of the invention is linked to the possibility of modulating the position of the intervals, which a conductor comprises, along this conductor, in order to extend the homogeneity of the field Bl in the longitudinal direction (z). The optimization of the distance and the position of the intervals was the subject of three-dimensional modeling and numerous numerical simulations.
  • An exemplary embodiment has 8 intervals per conductor, as seen in FIG. 2A.
  • the spacing of the intervals can vary from 0.5 mm to 2 mm for a dielectric made of polyethylene.
  • the resonant cavity can be tuned in frequency by a simultaneous mechanical action on the set of conductive sections, by compressing these pads.
  • the shape mentioned above is for example a curved disc or a spherical cap, or any other shape of substantially circular section, and having a main surface substantially perpendicular to its axis.
  • a metal crown 3 50 mm high has been arranged on the side of the opening that the antenna has at one of its ends, in order to limit radiation and improve the quality factor of the antenna.
  • FIGS. 3A and 3B show that the structure of the mode M8 of FIG. 1 was preserved after the introduction of the dielectric pads 2.
  • the homogeneity of the field Bl can only be ensured in one transverse direction (see FIGS. 4A to 4B and 5)
  • the resonant cavity according to the invention is operated with a circular polarization (see FIGS. 6A, 6B and 6C), by means of 4 excitation devices (not shown) which are placed at 90 degrees to each other compared to the others in + x, -x, + y and -y, and form two pairs which are supplied in quadrature using two power dividers and two hybrid circuits (not shown).
  • This antenna consists of electrically conductive elm elements of elongated cylinders and thin elements made of dielectric material.
  • the conductive elements consist of elements made of a rigid dielectric material, by example high density polyethylene, and covered by CVD, that is to say by chemical deposition in vapor phase (in English "chemical vapor deposition"), of a metal layer having a thickness barely greater than the skin thickness (in English "skin depth") of the RF wave, taking into account the electrical conductivity .
  • FIGS. 7A and 7B are respectively an external view and a sectional view of an example of the antenna which is the subject of the invention, only 4 of the 32 bars that the antenna of this example comprises, being represented; FIGS.
  • FIGS. 8A and 8B show the conductive elements of the antenna of the example (elements with metallic coating); FIGS. 9A and 9B show the dielectric elements of this antenna; FIGS. 10A and 10B respectively show a thin deformable pad and an internal piece for connecting the segments; and FIGS. 11A and 11B show cylindrical sections with metallic coating forming the bars of this antenna.
  • the conductive elements of the antenna are: the body 5 of this antenna, the cylindrical sections 1 which form the bars of the antenna, a reentrant ring 3, a sliding disc 6 which closes one end of the antenna, the internal conductors 10 coaxial coupling lines, and cylindrical plungers 8 which close the magnetic coupling loops formed of the elements referenced 8, 9 and 10 - see FIGS.
  • the elements of dielectric material can be of two types, the first being of great rigidity for the rotary disc 7 which allows the frequency tuning of the antenna and for the internal connecting parts 4, the second being of great elasticity for the domed pellets 2.
  • the reentrant crown 3, which does not support mechanical force, can be glued to the body 5 of the antenna.
  • the sections 1 at the ends of each bar are screwed, on one side, on the body 5 in tapped holes 5b provided for this purpose and, on the other side, on the sliding disc 6, at the level of tapped holes 6a of this disc.
  • the other sections 1 are interconnected by an internal connecting piece 4 by sandwiching a curved disc 2 to form a variable capacity.
  • each patch 2 (respectively each section 1) has a bore 12 (respectively 14) capable of being crossed by the connecting piece. Seen in section, this part and the holes have the same shape (three branches at 120 ° from each other in the example), the part having a size slightly smaller than that of the holes to be able to slide in these holes.
  • the dielectric pads 2 have been introduced so that the antenna can resonate at 500 MHz over a given length
  • a method which consists in simultaneously modifying the capacity of all the intervals (in English "gaps") to tune the antenna. This modification is obtained by varying either the gap spacing, the dielectric constant of the patch, or both.
  • the sensitivity given by the simulation is 144 MHz / mm for Teflon pellets (registered trademark) (whose relative permittivity is 2.1) of thickness substantially equal to 1 mm.
  • An embodiment of the combination of these two principles has been adopted (see FIGS.
  • Each thin pad 2 of dielectric material has a domed shape which can thus be subjected to compression. It is pierced in its center with a pattern (see FIGS. 10A and 10B) corresponding to the section of a connecting piece 4 with 3 arms, also made of dielectric material but more rigid.
  • the two sections of bar 1 must have a negative imprint of the connecting piece either through, or of greater length (clearance). Thus, these parts form a capacitive interval which is made variable by compression of the patch by the sections without twisting.
  • a compression of the patch 2 combines two effects which are added; the reduction in the spacing and the increase in the effective dielectric constant of the interval in fact both contribute to the increase in capacitance, and therefore to a reduction in the resonant frequency.
  • the compression is produced by the displacement of the sliding disc 6 on which the rotary disc 7 rests, the edge of which has a thread 7b which fits on the thread 5d of the body of the antenna.
  • Two handles 7a have been mounted on the rotary disc to facilitate handling.
  • the movement of the sliding disc 6 is guided by projections 6b which are arranged on its edge and fit into the grooves 5c (see FIGS.
  • the antenna is supplied with quadrature power by means of 4 coaxial inputs, the external conductor 5e is secured to the body of the antenna 5.
  • the internal conductor is connected to a section 1 of a bar (see FIG. 7) and isolated from the external conductor by an electrically insulating sleeve 9.
  • the characteristic impedance of the line was chosen equal to 50 ohms.
  • the line dimensions have been increased more than is necessary to convey the average RF power and the peak RF power.
  • the inside and outside diameters of the line are 4.2 mm and 14 mm respectively.
  • a plunger that is to say a conductive or made conductive element, which penetrates into the antenna, at the level of the space between the envelope E and the conductors C
  • cylindrical 8 7 mm in diameter, of which the axis is located at a variable distance LC from the axis of the internal conductor 10, closes the magnetic coupling loop through a capacitive interval of 1.4 mm spacing.
  • This coupling method covers an outside quality factor range from 500 to 50 by varying LC from 20 mm to 55 mm.
  • the invention advantageously implements conductive bars whose cylindrical structure allows the magnetic field lines to better bypass each bar, and thus makes it possible to obtain a more homogeneous distribution of the magnetic field in the central zone of the resonant cavity.
  • the object of the invention can also be described as a transmission line (or radio frequency waveguide) with multiple conductors, that is to say a transmission line consisting of a set of elementary conductors, coupled together, and coupled to the shielding which surrounds them, the elementary conductors corresponding to each straight bar divided into cylindrical segments 1, these segments being electrically conductive or made electrically conductive, and each bar being provided with thin dielectric elements 2 which are interspersed between the segments.
  • the invention described above is not limited to the embodiments described, nor to the numerical values of the preceding examples.
  • the invention also relates to any type of similar device, of different dimensions, with suitable numerical values.

Landscapes

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Abstract

Cavité résonante de haute fréquence pour la Résonance Magnétique Nucléaire, utilisant des lignes de transmission radio-fréquence. Cette cavité résonante comprend un ensemble de lignes de transmission, constituées chacune d'un barreau rectiligne qui est divisé en segments cylindriques allongés (1), ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, le barreau étant pourvu d'éléments diélectriques minces (2) qui sont intercalés entre les segments, ces lignes de transmission étant couplées à un blindage qui les entoure.

Description

CAVITE RESONANTE DE HAUTE FREQUENCE POUR LA RESONANCE MAGNÉTIQUE NUCLEAIRE, UTILISANT DES LIGNES DE TRANSMISSION RADIO-FREQUENCE DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une cavité résonante de haute fréquence (en anglais « high- frequency cavity resonator ») , plus particulièrement, une antenne de type cavité résonante de haute fréquence, utilisant des lignes de transmission radio - fréquence, ces lignes de transmission étant de préférence accordables . L'invention s'applique notamment aux dispositifs de RMN, c'est-à-dire de Résonance Magnétique Nucléaire (en anglais « Nuclear Magnetic Résonance ») et, plus particulièrement, à ceux qui sont destinés aux examens biologiques et médicau . Cette cavité résonante de haute fréquence est utilisée pour engendrer un champ appelé « champ Bl », qui est un champ électromagnétique de haute fréquence, ou champ radiofréquence (R ) , ayant une composante magnétique, afin d'exciter les noyaux des atomes étudiés, c'est-à-dire tous ceux qui sont détectables par RMN, qui se trouvent dans l'objet examiné, placé dans la cavité, puis pour capter le champ radiofréquence très faible qui résulte du phénomène de RMN. Cette cavité a été étudiée pour exciter et capter plus particulièrement le signal du proton de 1 ' atome d' hydrogène . Cette cavité résonante de haute fréquence est utilisable dans le domaine de la RMN, c'est-à-dire de la Résonance Magnétique Nucléaire (en anglais « Nuclear Magnetic Résonance ») , plus particulièrement pour examiner la tête d'un sujet par IRM (Imagerie par Résonance Magnétique, en anglais "Magnetic Résonance Imaging"), mais aussi dans le domaine de la SRM, c'est- à-dire de la Spectroscopie par Résonance Magnétique (en anglais « Magnetic Résonance Spectroscopy ») .
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une cavité résonante de haute fréquence blindée (en anglais « shielded ») , du type cage à oiseau (en anglais « bird cage ») , comprend : >_• - un ensemble de lignes de transmission, - un blindage (en anglais « shield ») qui entoure cet ensemble de lignes de transmission, et une ou plusieurs boucles (en anglais
« loops ») qui sont intercalées entre l'ensemble de lignes de transmission et le blindage et sont destinées à l'excitation radiofréquence de la cavité résonante et à la détection des signaux de RMN. À ce sujet, on se reportera aux documents suivants :
[1] US 4746866 (Rôschmann) [2] US 4751464 (Bridges) [3] US 5557247 (Vaughn, Jr.). [4] Proc. Int. Soc. Mag. Res . Med. 11, 2003, N° 2354 (Vaughn) . Ces documents concernent essentiellement des améliorations apportées aux lignes de transmission d'une cavité résonante, prises individuellement ou dans leur ensemble. Des moyens pour accorder (en anglais « tune ») chaque ligne de transmission à la fréquence de travail souhaitée sont généralement formés, dans les dispositifs décrits dans les documents cités, par des moyens mécaniques de réglage du couplage électromagnétique entre les lignes de transmission et le blindage . Ainsi, le document [1] divulgue une bobine (en anglais « coil ») qui est destinée à un appareil d' IRM et formée de lignes de transmission qui s'apparentent aux câbles coaxiaux : chacune de ces lignes comprend un cylindre externe, creux et conducteur, contenant un cylindre interne creux, qui est fait d'un matériau diélectrique et à l'intérieur duquel sont placés deux conducteurs centraux, au moins l'un de ces derniers étant mobile axialement. Un blindage externe est couplé aux conducteurs centraux par l'intermédiaire des extrémités du cylindre externe, grâce à des contacts glissants. Le déplacement mécanique du conducteur central mobile a pour effet de modifier la capacité (en anglais « capacitance ») de la ligne de transmission, ce qui permet un ajustement de la fréquence de résonance. Toutefois, on constate dans' ce document [1] que le conducteur externe du barreau, formé par une ligne coaxiale, ne présente aucune discontinuité diélectrique . Le document [2] décrit une cavité résonante dont les lignes de transmission sont formées de segments de bandes conductrices, entre lesquels sont intercalées des sections d'un matériau diélectrique. Un blindage externe est couplé aux lignes de transmission par l'intermédiaire de capacités qui sont situées aux extrémités de chaque ligne de transmission. L'accord de la cavité résonante est effectué au moyen de fentes réglables, formées dans le blindage externe. Dans le document [2] , les "barreaux" se présentent sous la forme de rubans de section rectangulaire. D'autre part, la surface principale des éléments diélectriques dans ce document [2] est parallèle à l'axe du barreau. Les barreaux (ou rubans) sont fixes et ne permettent aucun ajustement possible. Enfin, la liaison d'un barreau avec l'enveloppe que comporte la cavité résonante est électriquement isolante. Le document [3] utilise des lignes de transmission, du genre de celles qui sont divulguées par le document [1] , pour former une cavité résonante de type cage à oiseau. En outre, ce document décrit un système mécanique permettant d'accorder simultanément plusieurs lignes de transmission. Les cavités résonantes connues par les documents cités présentent l'inconvénient de ne pas fonctionner convenablement lorsqu'on les utilise à des valeurs élevées de champ magnétique, de l'ordre de 9 T ou plus, et/ou à des fréquences élevées, de l'ordre de 400 MHz ou plus, en vue d'augmenter le rapport signal/bruit. Par exemple, des expériences et une simulation numérique du résonateur décrit dans le document [4] par la méthode des éléments finis (en anglais « finite élément method ») montrent qu'un tel résonateur est limité à des fréquence de résonance du proton (fréquences de Larmor) qui sont inférieures à environ 400 MHz, ou à des champs magnétiques inférieurs à 4 teslas, pour des volumes cylindriques de 27 cm de diamètre et 25 cm de long, de tels volumes étant aptes à contenir la tête d'un sujet. En effet, pour augmenter la fréquence, les conducteurs centraux des lignes de transmission doivent être complètement retirés, ce qui provoque des pertes par rayonnement ainsi qu'une mauvaise homogénéité du champ Bl produit .
EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour objet une cavité résonante de haute fréquence, qui ne présente pas les inconvénients des cavités résonantes connues, mentionnées plus haut. Une cavité conforme à l'invention, est une amélioration de ces dernières, grâce à des lignes de transmission de structure originale et à la combinaison de ces lignes de transmission avec le blindage que comporte la cavité . Des techniques de simulation numérique, qui sont particulièrement bien adaptées à ce type d'invention, permettent d'optimiser les paramètres de cette cavité. On propose en outre un système d'accord dont peuvent être pourvues les lignes de transmission. Un aspect essentiel de l'invention réside dans la structure des lignes de transmission, cette structure différant de celle que l'on trouve dans les documents [1] à [3]. En effet, dans l'invention, une ligne de transmission n'est pas une structure coaxiale de matériaux conducteurs alternant avec des matériaux diélectriques, ni une structure de rubans de section rectangulaire : dans l'invention, il s'agit d'un barreau rectiligne et segmenté qui est (ou est rendu) électriquement conducteur et pourvu d'éléments diélectriques minces, intercalés entre les segments conducteurs cylindriques du barreau. Certes, des principes analogues sont utilisés dans le domaine des accélérateurs de particules à ondes progressives (en anglais « travelling wave particle accelerators ») mais les structures qui font l'objet de l'invention sont tout à fait originales dans le domaine de la RMN, qui est très éloigné du précédent . À l'aide d'une simulation numérique, on ajuste l'épaisseur des éléments diélectriques, le matériau constitutif de ces derniers et le nombre de ces éléments par ligne de transmission, ainsi que le nombre de telles lignes dans la cavité résonante, en vue d' adapter au mieux les paramètres de cette dernière (notamment le facteur de qualité, la fréquence de travail et l'homogénéité du champ) et d'obtenir un ensemble de lignes dont les dimensions sont compatibles avec le volume de la cavité. En outre, la fréquence de travail de cette dernière peut être finement ajustée par modification de l'épaisseur des éléments diélectriques, par exemple par déformation de ces derniers . De plus, au lieu d'être un simple cylindre fermé en une extrémité et pourvu d'une ouverture en l'autre extrémité, pour permettre l'introduction d'un objet - en particulier la tête d'un sujet - dans la cavité, le blindage peut comporter une section cylindrique réentrante au niveau de l'ouverture. Une telle section permet avantageusement de réduire les pertes d' énergie électromagnétique par rayonnement au niveau de l'ouverture et limite les perturbations de la cavité par l'objet, en particulier la tête. On peut concevoir une cavité résonante conforme à l'invention, capable de fonctionner sous un champ magnétique de 11,7 T, à 500 MHz, avec une homogénéité volumique meilleure que 5% sur un volume cylindrique de 190 mm de diamètre, équivalent à une tête. En outre, des lignes de transmission ayant la structure originale mentionnée plus haut sont utilisables dans d'autres domaines que l'IRM, par exemple la SRM. De façon précise, la présente invention a pour objet une cavité résonante de haute fréquence pour la résonance magnétique nucléaire, comprenant un ensemble de lignes de transmission et un blindage qui entoure ces lignes de transmission, caractérisée en ce que chacune de ces lignes de transmission comprend un barreau rectiligne qui est divisé en segments cylindriques allongés, ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, le barreau étant pourvu d'éléments diélectriques minces qui sont intercalés entre les segments. La longueur des segments cylindriques est ainsi très supérieure à celle des intervalles électriquement isolants où sont intercalés les éléments diélectriques de faible épaisseur. Le diamètre des segments conducteurs est de préférence très inférieur à la longueur d'onde de travail. De préférence, les segments cylindriques sont faits d'un matériau diélectrique dont la surface externe est rendue électriquement conductrice. De préférence, les segments cylindriques et les éléments diélectriques d'un même barreau ont sensiblement le même diamètre. De préférence, les différents segements cylindriques conducteurs d'un même barreau sont de longueurs différente, calculée pour obtenir la meilleure homogénéité du champ au centre de la cavité résonante. Par exemple, un barreau comprend successivement des segments dont les longueurs respectives sont 50mm, 14mm, 44mm, 60mm, 44mm, 14mm et 50mm. Selon un mode de réalisation préféré de la ligne de transmission objet de l'invention, cette ligne est pourvue de moyens d'accord en fréquence, ces moyens d'accord étant aptes à modifier l'épaisseur des éléments diélectriques . De préférence, les éléments diélectriques sont élastiquement déformables. De préférence, les éléments diélectriques sont de section sensiblement circulaire. De préférence, les éléments diélectriques présentent une surface principale sensiblement perpendiculaire à l'axe du barreau. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les segments et les éléments diélectriques comportent des perçages, chaque ligne de transmission comprenant en outre des pièces de liaison diélectriques et rectilignes qui traversent les perçages et sur lesquelles les segments et les éléments diélectriques sont aptes à coulisser. De préférence, les lignes de transmission
(ou barreaux) sont sensiblement parallèles et régulièrement réparties sur une surface cylindrique. La cavité résonante de haute fréquence peut comprendre deux extrémités qui sont respectivement ouverte et fermée. Le blindage de la cavité peut avoir une structure cylindrique. Dans ces deux cas, le blindage peut comporter une partie réentrante du côté de l'extrémité ouverte de la cavité. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, une liaison électriquement conductrice est établie entre chaque barreau et le blindage. La cavité résonante, objet de l'invention, peut être utilisée en imagerie par résonance magnétique en tant que système d'émission ou de réception. Elle peut aussi être utilisée dans le domaine de la Spectroscopie par Résonance Magnétique en tant que système d'émission ou de réception. La présente invention concerne aussi un appareil de résonance magnétique nucléaire comportant une cavité résonante de haute fréquence conforme à 1' invention. Elle concerne en outre un guide d' onde à conducteurs multiples, constitué d'une ligne de transmission reliée à un ensemble de lignes de transmission, ou conducteurs élémentaires, caractérisé en ce que ces conducteurs élémentaires sont disposés sur un cylindre et en ce que les axes de ces conducteurs éllémentaires sont sensiblement parallèles à l'axe du cylindre, et en ce que chacune de ces lignes de transmission, ou conducteurs élémentaires, comprend un barreau rectiligne divisé en segments cylindriques allongés, ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, le barreau étant pourvu d' éléments diélectriques minces qui sont intercalés entre les segments, l'ensemble des conducteurs élémentaires étant relié conductivement à un blindage qui entoure cet ensemble.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique de la géométrie d'un guide d'onde à conducteurs multiples, conforme à l'invention, et illustre également des modes de propagation d'ondes électromagnétiques dans ce guide, les figures 2A et 2B illustrent schématiquement, en coupe longitudinale (figure 2A) et en coupe transversale (figure 2B) , un exemple d'une antenne, ou cavité résonante, conforme à l'invention pour la simulation numérique, - les figures 3A et 3B illustrent schématiquement, en coupe transversale (figure 3A) et en coupe longitudinale (figure 3B) , le champ magnétique transverse Bl à 500 MHz dans l'exemple d'antenne des figures 2A et 2B, - les figures 4A, 4B et 4C illustrent schématiquement, en coupe transversale (figure 4A) et en coupe longitudinale suivant deux plans orthogonaux (figures 4B et 4C) , des courbes de niveau de l'amplitude du champ Bl en polarisation linéaire, - la figure 5 représente les variations de l'amplitude normalisée A du champ Bl suivant deux axes orthogonaux x (courbe I) et y (courbe II) , au centre de l'exemple d'antenne conforme à l'invention, en partant de l'axe z de l'antenne , qui est orthogonal aux axes x et y, les axes x, y et z ayant un point d'intersection 0, les figures 6A, 6B et 6C illustrent schématiquement, en coupe transversale (figure 6A) et en coupe longitudinale suivant deux plans orthogonaux (figures 6B et 6C) , des courbes de niveau de l'amplitude du champ Bl en polarisation circulaire, - les figures 7A et 7B sont respectivement une vue en perspective schématique et une vue en coupe longitudinale schématique d'un exemple de l'antenne objet de l'invention, seuls 4 des 32 barreaux que comporte cette antenne étant représentés, - les figures 8A et 8B sont des vues en perspective schématique d'éléments de l'antenne des figures 7A et 7B, pourvus d'un revêtement métallique, - les figures 9A et 9B sont des vues en perspective schématique d'éléments diélectriques de cette antenne, - les figures 10A et 10B sont des vues en perspective schématique d'une pastille déformable (figure 10A) et d'une pièce de liaison (figure 10B) utilisées dans cette antenne, et - les figures 11A et 11B sont des vues en perspective schématique de tronçons cylindriques qui sont pourvus d'un revêtement métallique et forment les barreaux de cette antenne.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La réalisation d'une cavité résonante de haute fréquence, appelée également bobine RF volumique, conçue pour examiner la tête d'un sujet par RMN, devient critique lorsque la longueur d'onde effective du champ RF devient proche de la taille de l'échantillon (tête). La fréquence de travail de la cavité doit être ajustée à la fréquence de Larmor qui est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique longitudinal et statique (généralement noté BO) de l'appareillage d'IRM. Dans un mode de réalisation particulier, l'invention est destinée à un système d'IRM fonctionnant à 11,7 T. Par conséquent, la fréquence de
Larmor est de 500 MHz pour le noyau (en anglais
« nucleus ») étudié par IRM, en l'occurrence le proton de l'atome d'hydrogène. Dans cette gamme de fréquences, les pertes électromagnétiques par rayonnement et dans l'échantillon augmentent et dégradent de ce fait le facteur de qualité de la cavité ainsi que l'homogénéité du champ transverse Bl . La conception d'une bobine RF conforme à l'invention doit répondre à un double défi, à savoir conserver un facteur de qualité et une homogénéité de champ transverse Bl qui soient acceptables . La présente invention propose une nouvelle conception de la cavité résonante, permettant à cette dernière de fonctionner à 500 MHz et au-delà (ces valeurs étant données à titre d'exemple, d'autres valeurs étant possibles) . Cette conception doit satisfaire à une contrainte di ensionnelle forte, imposée par la réalisation de la bobine qui engendre le champ B0 dans le système d'IRM et par celle des bobines de gradient
(en anglais « gradient coils ») , autres composants essentiels du système d'IRM. Dans un exemple, le diamètre (respectivement la longueur) de la bobine RF volumique est limité à environ 350 mm (respectivement 300 mm) . Le principe de base de la conception de la cavité résonante conforme à l'invention consiste à réaliser un résonateur de type λ/2 ou λ/4 à partir d'une ligne de transmission. La contrainte portant sur la dimension transverse et la fréquence de fonctionnement écarte définitivement la possibilité d'utiliser une ligne à un seul conducteur, quelle que soit la géométrie de sa section, en raison de la fréquence de coupure (en anglais « cut-off frequency ») . Ainsi, le choix d'une ligne à conducteurs multiples s * impose . Compte tenu de la géométrie des autres composants du système (bobines de gradient et bobine créant le champ B0) et de la géométrie de l'échantillon (tête), le choix s'oriente vers une ligne comportant une enveloppe conductrice cylindrique E (voir la figure 1), dont l'axe a la référence z sur la figure 1, cette enveloppe (blindage) entourant plusieurs autres conducteurs C (ou barreaux conducteurs rectilignes) qui sont parallèles à l'axe z et uniformément répartis sur un cylindre (du point de vue géométrique) dont l'axe est aussi l'axe z. Sur la figure 1, les références x et y représentent des axes qui sont orthogonaux l'un à l'autre et à l'axe z. L'analyse des modes de propagation de type
TEM, en fonction du nombre de conducteurs C et de la dimension et du positionnement de ces derniers par rapport à l'enveloppe E, a fait l'objet d'une recherche propre à la présente invention, dans le but de créer, par superposition de plusieurs modes (car tous les modes TEM possèdent la même constante de propagation) , une distribution de champ Bl la plus uniforme possible dans une direction transverse. Aucune approche analytique connue ne permet de définir ces paramètres (nombre de conducteurs et dimension et positionnement de ces derniers par rapport à l'enveloppe). Seule une étude par simulation numérique, spécifique à la présente invention, permet d'obtenir les paramètres d'une cavité résonante conforme à l'invention, en particulier l'ensemble des paramètres adéquats de la section d'une ligne de transmission : diamètre de l'enveloppe externe E : 344 mm, - diamètre des conducteurs internes C : 14 mm, et - position de ces conducteurs C par rapport à l'axe z de la cavité : 147 mm. On peut faire varier chacun de ces paramètres dans un intervalle dont l'amplitude est de l'ordre de 0,5 mm et qui est centré sur la valeur lui correspondant ci-dessus, sans modifier de manière significative la distribution du champ des modes de propagation. Le principe de la simulation pour l'obtention des paramètres adéquats consiste à étudier systématiquement la distribution du champ magnétique de tous les modes où ce dernier est parallèle à l'axe y
(figure 1) . Pour cela, un algorithme de recherche de modes propres est appliqué sur la section du guide en 2 dimensions, avec une condition limite électrique le long de l'axe y et une condition limite magnétique le long de l'axe x. Cette modélisation est équivalente à une excitation du guide (cavité) par une boucle de couplage magnétique, placée par exemple à l'abscisse +x entre l'enveloppe E et un des conducteurs C, et dont la surface est perpendiculaire à l'axe y. Huit modes de propagation sont ainsi obtenus. Ils sont notés Ml,M2,...,M8 et schématiquement illustrés par la figure 1. Lorsque les dimensions des éléments du guide ne sont pas déterminées correctement, la superposition constructive et destructive des modes produit une distribution de champ magnétique très inhomogène . Sur la figure 1, les modes Ml, M7 et M8 sont excités préférentiellement par la boucle. Le mode utile étant le mode M8, la géométrie a été déterminée de telle sorte que la superposition des modes Ml et M7 ne détériore pas son homogénéité mais tende au contraire à l'améliorer. La longueur d'onde des modes TEM, qui est de 60 cm à 500 MHz, n'exclut pas le principe d'un résonateur en λ/2, compatible avec la contrainte sur la longueur de la cavité. Cependant, les conditions aux limites devaient être identiques aux deux extrémités de la cavité, l'une de ces extrémités étant nécessairement ouverte dans le cas d' une bobine destinée à examiner la tête. Mais deux ouvertures induiraient trop de pertes par rayonnement à 500 MHz et dégraderaient drastiquement le facteur de qualité de la cavité. La conception s'oriente donc vers un résonateur en λ/4. Or, compte tenu de la longueur d'onde, ce résonateur ne mesurerait que 150 mm de long et l'homogénéité longitudinale du champ à l'emplacement de l'échantillon (la tête dans l'exemple considéré) deviendrait inacceptable. Conformément à la présente invention, on propose une cavité similaire à un résonateur en λ/4, capable de résonner à 500 MHz et au-delà, tout en assurant une homogénéité acceptable dans la direction longitudinale (z) et dans une direction transverse. Les auteurs des dispositifs décrits dans les divers documents cités plus haut utilisent des structures coaxiales ajustables en guise de conducteurs multiples . Chacune de ces structures constitue une capacité répartie variable grâce à la mobilité du conducteur interne de la ligne coaxiale que constitue cette structure. En augmentant cette capacité, il a été possible d'obtenir une cavité à très basse fréquence de résonance, à savoir 170 MHz ou moins. Par le retrait des conducteurs internes, la fréquence d'une cavité du genre de celle qui est décrite dans le document [3] peut être augmentée, le cas limite étant celui dans lequel tout le conducteur est retiré. On retrouve alors une section analogue à celle que l'on voit sur la figure 1. Compte tenu des observations faites au sujet des résonateurs λ/2 et λ/4, on comprend ainsi la raison pour laquelle les cavités du genre de celle qui est décrite dans le document [3] ne sont pas faites pour des applications à l'IRM pour l'homme au-delà de 400 MHz. Un aspect innovant d'une cavité résonante conforme à la présente invention réside dans l'introduction de discontinuités diélectriques minces sur les conducteurs internes cylindriques faisant office de capacités discrètes, afin d'obtenir un résonateur de type λ/4, de préférence sur une longueur de 300 mm. On met ainsi en œuvre une technique utilisée dans un domaine qui est très éloigné non seulement de la conception des antennes mais encore des applications de la RMN, à savoir le domaine des accélérateurs de particules . En effet, dans les structures accélératrices à ondes progressives (en anglais « travelling waves ») , des obstacles tels que des disques percés, disposés régulièrement dans un guide d'onde circulaire, permettent de diminuer la vitesse de phase (en anglais « phase velocity ») et de créer des bandes passantes (en anglais "pass-Iband") et des bandes de coupure (en anglais "stop-band") . La longueur d'onde de propagation dans les bandes passantes est d'autant plus grande que l'on s'approche d'une bande de coupure. Cependant, l'efficacité d'une telle approche dans le cas des bobines RF volumiques n' était pas évidente. Malgré les obstacles, le mode de propagation dans les structures accélératrices reste un mode de type TM. Dans le cas d'un guide à conducteurs multiples, où des modes dégénérés se propagent, l'introduction d'obstacles pourrait fortement perturber ces modes. Seule l'utilisation d'un code numérique approprié permet de valider cette approche. Ce code doit être en mesure de mailler une structure complexe en 3 dimensions et comportant un grand nombre de constituants disjoints. Il permet de calculer la fréquence de résonance de 1 ' antenne ainsi que la distribution du champ électromagnétiqe en 3 dimensions. Un code basé sur la méthode des intégrations finies convient à une telle étude . Les figures 2A et 2B illustrent schématiquement un modèle d'une antenne conforme à l'invention pour la simulation numérique en vue de l'optimisation de cette dernière. On voit encore les trois axes orthogonaux x, y et z, où z est l'axe longitudinal de l'antenne. Ces trois axes se coupent en un point 0 qui est au centre de l'antenne. On conservera ces notations dans la suite de la description. Sur la figure 2A, la référence T désigne la zone d'intérêt pour l'examen par RMN, cette zone étant matérialisée par une sphère (vue en coupe) . L'antenne, ou cavité résonante, conforme à l'invention comprend une enveloppe électriquement conductrice e (blindage) dont une extrémité est ouverte et dont l'autre extrémité est fermée. L'antenne comprend aussi, dans l'enveloppe, des conducteurs électriques internes c (ou barreaux cylindriques conducteurs) qui sont parallèles à l'axe z de 1' enveloppe. Comme on le voit sur les figures 2A et 2B, chaque conducteur interne consiste en une juxtaposition axiale de tronçons, ou segments, conducteurs cylindriques allongés 1, qui sont électriquement isolés par de minces pastilles diélectriques 2 constituant chacune un intervalle (en anglais « gap ») pour les conducteurs . Un autre avantage important de l' invention est lié à la possibilité de moduler la position des intervalles, que comporte un conducteur, le long de ce conducteur, pour étendre l'homogénéité du champ Bl dans la direction longitudinale (z) . L'optimisation de la distance et de la position des intervalles a fait l'objet d'une modélisation en trois dimensions et de nombreuses simulations numériques . Un exemple de réalisation comporte 8 intervalles par conducteur, comme on le voit sur la figure 2A. L'écartement des intervalles peut varier de 0,5 mm à 2 mm pour un diélectrique fait de polyéthylène . Par usinage des pastilles diélectriques dans une forme qui permet leur déformation élastique, la cavité résonante peut être accordée en fréquence par une action mécanique simultanée sur l'ensemble de tronçons conducteurs, en compressant ces pastilles. La forme mentionnée ci-dessus est par exemple un disque bombé ou une calotte sphérique, ou toute autre forme de section sensiblement circulaire, et présentant une surface principale sensiblement perpendiculaire à son axe. Enfin, une couronne métallique 3 de 50 mm de haut a été aménagée du côté de l'ouverture que comporte l'antenne en l'une de ses extrémités, afin de limiter le rayonnement et d'améliorer le facteur de qualité de l'antenne. Les figures 3A et 3B montrent que la structure du mode M8 de la figure 1 a été conservée après l'introduction des pastilles diélectriques 2. L'homogénéité du champ Bl ne pouvant être assurée que dans une seule direction transverse (voir les figures 4A à 4B et 5) , on fait fonctionner la cavité résonante conforme à l'invention avec une polarisation circulaire (voir les figures 6A, 6B et 6C) , grâce à 4 dispositifs d'excitation (non représentés) qui sont placés à 90 degrés les uns par rapport aux autres en +x, -x, +y et -y, et forment deux paires que l'on alimente en quadrature à l'aide de deux diviseurs de puissance et de deux circuits hybrides (non représentés) . Dans ce qui suit, on donne des détails sur la structure et le fonctionnement d'un exemple de l'antenne, ou cavité résonante, objet de l'invention, en faisant référence aux figures 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, 10B, 11A et 11B. Cette antenne se compose d' éléments électriquement conducteurs en orme de cylindres allongés et d'éléments minces faits d'un matériau diélectrique. Afin de minimiser les effets des courants qui sont induits par les bobines de gradient de l'appareil d'IRM dans lequel l'antenne est destinée à être montée, les éléments conducteurs sont constitués d'éléments faits d'un matériau diélectrique rigide, par exemple le polyéthylène de haute densité, et recouverts, par CVD, c'est-à-dire par dépôt chimique en phase vapeur (en anglais « chemical vapor déposition ») , d'une couche métallique ayant une épaisseur à peine supérieure à l'épaisseur de peau (en anglais « skin depth ») de l'onde RF, en tenant compte de la conductivité électrique. Rappelons que : les figures 7A et 7B sont respectivement une vue externe et une vue en coupe d' n exemple de l'antenne objet de l'invention, seuls 4 des 32 barreaux que comporte l'antenne de cet exemple étant représentés ; les figures 8A et 8B montrent les éléments conducteurs de l'antenne de l'exemple (éléments avec revêtement métallique) ; les figures 9A et 9B montrent les éléments diélectriques de cette antenne ; les figures 10A et 10B montrent respectivement une pastille mince déformable et une pièce interne de liaison des segments ; et les figures 11A et 11B montrent des tronçons cylindriques avec revêtement métallique formant les barreaux de cette antenne. Les éléments conducteurs de l'antenne sont : le corps 5 de cette antenne, les tronçons cylindriques 1 qui forment les barreaux de l'antenne, une couronne réentrante 3, un disque coulissant 6 qui ferme une extrémité de l'antenne, les conducteurs internes 10 des lignes coaxiales de couplage, et des plongeurs cylindriques 8 qui referment les boucles de couplage magnétique formées des éléments référencés 8, 9 et 10 - voir les figures 7A, 7B, 8A et 8B. Les éléments en matériau diélectrique (non métallisés) peuvent être de deux types, le premier étant d'une grande rigidité pour le disque rotatif 7 qui permet l'accord en fréquence de l'antenne et pour les pièces de liaison interne 4, le second étant d'une grande élasticité pour les pastilles bombées 2. La couronne réentrante 3, qui ne supporte pas d'effort mécanique, peut être collée sur le corps 5 de l'antenne. Les tronçons 1 aux extrémités de chaque barreau sont vissés, d'un côté, sur le corps 5 dans des trous taraudés 5b prévus à cet effet et, de l'autre côté, sur le disque coulissant 6, au niveau de trous taraudés 6a de ce disque. Les autres tronçons 1 sont reliés entre eux par une pièce de liaison interne 4 en prenant en sandwich une pastille bombée 2 pour former une capacité variable. L'empreinte de la pièce de liaison dans les tronçons doit être soit traversante, soit plus longue que cette pièce de liaison. Le jeu qui en résulte permet de comprimer la pastille - voir les figures 10A, 10B, 11A et 11B. On voit que chaque pastille 2 (respectivement chaque tronçon 1) comporte un perçage 12 (respectivement 14) apte à être traversé par la pièce de liaison. Vus en coupe, cette pièce et les perçages ont la même forme ( trois branches à 120° les unes des autres dans l'exemple), la pièce ayant une taille légèrement inférieure à celle des perçages pour pouvoir coulisser dans ces perçages. Dans la mesure où les pastilles diélectriques 2 ont été introduites pour que l'antenne puisse résonner à 500 MHz sur une longueur donnée, il est aisé d' imaginer une méthode qui consiste à modifier simultanément la capacité de tous les intervalles (en anglais « gaps ») pour accorder l'antenne. Cette modification est obtenue en faisant varier soit l'écartement de l'intervalle, soit la constante diélectrique de la pastille, soit les deux. Dans le premier cas, la sensibilité donnée par la simulation est de 144 MHz/mm pour des pastilles en Téflon (marque déposée) (dont la permittivité relative vaut 2,1) d'épaisseur sensiblement égale à 1 mm. Une sensibilité de 82 MHz, par unité de permittivité relative, a été obtenue pour un intervalle de 1 mm d' écartement, dans le second cas. Une réalisation de la combinaison de ces deux principes a été adoptée (voir les figures 7A et 7B) . Chaque pastille mince 2 en matériau diélectrique, d'épaisseur uniforme, possède une forme bombée pouvant ainsi subir une compression. Elle est percée en son centre d'un motif (voir les figures 10A et 10B) correspondant à la section d'une pièce de liaison 4 à 3 bras, également en matériau diélectrique mais plus rigide. De chaque côté de la pastille 2, les deux tronçons de barreau 1 doivent présenter une empreinte négative de la pièce de liaison soit traversante, soit de plus grande longueur (jeu) . Ainsi, ces pièces forment un intervalle capacitif qui est rendu variable par une compression de la pastille par les tronçons sans torsion. Comme la fréquence de résonance des modes, et notamment le mode dipolaire, diminue avec l'augmentation de la capacité des intervalles, une compression de la pastille 2 combine deux effets qui s'ajoutent ; la réduction de l'écartement et l'augmentation de la constante diélectrique effective de l'intervalle participent en effet tous deux à l'augmentation de la capacité, et donc à un abaissement de la fréquence de résonance. La compression est produite par le déplacement du disque coulissant 6 sur lequel s'appuie le disque rotatif 7 dont le bord comporte un filetage 7b qui s'adapte sur le filetage 5d du corps de 1 ' antenne . Deux poignées 7a ont été montées sur le disque rotatif pour en faciliter le maniement. Le déplacement du disque coulissant 6 est guidé par des saillies 6b qui sont aménagées sur son bord et s'emboîtent dans les rainures 5c (voir les figures 8A et 8B) prévues sur le corps 5 de l'antenne dans l'alignement des renforts 5a. Ces renforts sont nécessaires du fait que l'épaisseur de la paroi latérale du corps 5 est limitée à 5 mm par la construction de bobines de gradient. Néanmoins, celle-ci autorise l'aménagement, par endroits, de renforts du fait que les bobines sont constituées d'éléments cylindriques disposés sur un cercle, ce qui laisse des interstices où les renforts 5a peuvent se loger. L'alimentation en quadrature de l'antenne est réalisée au moyen de 4 entrées coaxiales dont le conducteur externe 5e est solidaire du corps de l'antenne 5. Le conducteur interne est connecté à un tronçon 1 d'un barreau (voir la figure 7) et isolé du conducteur externe par un manchon électriquement isolant 9. L'impédance caractéristique de la ligne a été choisie égale à 50 ohms. Afin de garder un rapport de maille raisonnable et une précision de calcul satisfaisante pour le couplage, les dimensions de la ligne ont été augmentées plus qu'il n'est nécessaire pour véhiculer la puissance RF moyenne et la puissance RF crête. Les diamètres intérieur et extérieur de la ligne sont respectivement de 4,2 mm et 14 mm. Un plongeur (c'est-à-dire un élément conducteur ou rendu conducteur, qui pénètre dans l'antenne, au niveau de l'espace entre l'enveloppe E et les conducteurs C) cylindrique 8, de 7 mm de diamètre, dont l'axe se situe à une distance variable LC de l'axe du conducteur interne 10, referme la boucle de couplage magnétique à travers un intervalle capacitif de 1,4 mm d' écartement . Cette méthode de couplage couvre une plage de facteur de qualité extérieur de 500 à 50 en faisant varier LC de 20 mm à 55 mm. Elle présente en outre l'avantage de ne pas modifier la fréquence de résonance sur cette plage. L'écartement de l'intervalle capacitif entre le plongeur et le barreau ne produit qu'une très faible variation du coefficient de couplage pour des valeurs entre 1 mm et 2 mm. Enfin, les deux entrées diamétralement opposées forment une paire alimentée en phase par une source RF (non représentée) et les deux autres entrées, situées à 90 degrés des premières, forment une seconde paire qui est alimentée en quadrature (déphasage de 90 degrés) par rapport à la première paire. L' invention met avantageusement en œuvre des barreaux conducteurs dont la structure cylindrique permet aux lignes de champ magnétique de mieux contourner chaque barreau, et permet ainsi d'obtenir une répartition plus homogène du champ magnétique dans la zone centrale de la cavité résonante. Ce contournement résulte des conditions aux limites imposées par les barreaux à l'onde électromagnétique à haute fréquence. Compte tenu des équations de Maxwell, les lignes de champ contournent plus aisément un barreau de section circulaire qu'un ruban de section rectangulaire aplatie (comme le barreau décrit dans le brevet US 4 751 464) . En pratique, la géométrie des barreaux limite aussi leur nombre (16 dans le brevet US 4 751 464) dans un volume donné pour un résonateur destiné à l'IRM, alors que le nombre de barreaux selon l'un des modes de réalisation préférentiels décrits est de 32. Or plus nombreux sont les barreaux, meilleure sera l'homogénéité du champ magnétique.
L'objet de l'invention peut également être décrit comme une ligne de transmission (ou un guide d'onde radio-fréquence) à conducteurs multiples, c'est-à-dire une ligne de transmission constituée d'un ensemble de conducteurs élémentaires, couplés entre eux, et couplés au blindage qui les entoure, les conducteurs élémentaires correspondant à chaque barreau rectiligne divisé en segments cylindriques 1, ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, et chaque barreau étant pourvu d'éléments diélectriques minces 2 qui sont intercalés entre les segments . L'invention décrite ci-dessus ne se limite pas aux modes de réalisation décrits, ni aux valeurs numériques des exemples précédents. L'invention concerne également tout type de dispositif similaire, de dimensions différentes, avec des valeurs numériques adaptées .

Claims

REVENDICATIONS 1. Cavité résonante de haute fréquence pour la résonance magnétique nucléaire, comprenant un ensemble de lignes de transmission (c) et un blindage (e) qui entoure ces lignes de transmission, caractérisée en ce que chacune de ces lignes de transmission comprend un barreau rectiligne qui est divisé en segments cylindriques allongés (1) , ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, le barreau étant pourvu d'éléments diélectriques minces (2) qui sont intercalés entre les segments.
2. Cavité résonante selon la revendication 1, dans laquelle les segments cylindriques (1) sont faits d'un matériau diélectrique dont la surface externe est rendue électriquement conductrice.
3. Cavité résonante selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, cette cavité étant pourvue de moyens d'accord (4, 6, 7) en fréquence, ces moyens d'accord étant aptes à modifier l'épaisseur des éléments diélectriques minces (2) .
4. Cavité résonante selon la revendication
3, dans laquelle les éléments diélectriques minces (2) sont élastiquement déformables .
5. Cavité résonante selon l'une quelconque des revendications l à 4, dans laquelle les éléments diélectriques minces (2) sont de section sensiblement circulaire.
6. Cavité résonante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les éléments diélectriques (2) présentent une surface principale sensiblement perpendiculaire à l'axe du barreau.
7. Cavité résonante selon l'une quelconque des revendications l à 6, dans laquelle les segments
(1) et les éléments diélectriques (2) comportent des perçages (12, 14), chaque ligne de transmission comprenant en outre des pièces de liaison (4) diélectriques et rectilignes qui traversent les perçages et sur lesquelles les segments et les éléments diélectriques sont aptes à coulisser.
8. Cavité résonante selon l'une quelconque des revendications l à 7, dans laquelle les segments cylindriques (1) et les éléments diélectriques (2) d'un même barreau ont sensiblement le même diamètre extérieur.
9. Cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle les lignes de transmission sont sensiblement parallèles et régulièrement réparties sur une surface cylindrique .
10. Cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant deux extrémités qui sont respectivement ouverte et fermée .
11. Cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le blindage a une structure cylindrique.
12. Cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, dans laquelle le blindage comporte une partie réentrante (3) du côté de l'extrémité ouverte de la cavité .
13. Cavité résonante selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle une liaison électriquement conductrice est établie entre chaque barreau et le blindage .
14. Cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendication 1 à 13, utilisée en imagerie par résonance magnétique en tant que système d'émission ou de réception.
15. Cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendication 1 à 14, utilisée dans le domaine de la Spectroscopie par Résonance Magnétique en tant que système d'émission ou de réception.
16. Appareil de résonance magnétique nucléaire comportant une cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 15.
17. Guide d'onde à conducteurs multiples, constitué d'une ligne de tranmission reliée à un ensemble de lignes de transmission, ou conducteurs élémentaires, caractérisé en ce que ces conducteurs élémentaires sont disposés sur un cylindre et en ce que les axes de ces conducteurs élémentaires sont sensiblement parallèles à l'axe du cylindre, et en ce que chacune de ces lignes de transmission, ou conducteurs élémentaires, comprend un barreau rectiligne divisé en segments cylindriques allongés (1) , ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, le barreau étant pourvu d'éléments diélectriques minces (2) qui sont intercalés entre les segments, l'ensemble des conducteurs élémentaires étant relié conductivement à un blindage qui entoure cet ensemble.
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