EP2649464A1 - Procédé de caractérisation d'échantillon solide par spectrométrie rmn et appareil pour la mise en oeuvre du procédé - Google Patents

Procédé de caractérisation d'échantillon solide par spectrométrie rmn et appareil pour la mise en oeuvre du procédé

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Publication number
EP2649464A1
EP2649464A1 EP11802677.2A EP11802677A EP2649464A1 EP 2649464 A1 EP2649464 A1 EP 2649464A1 EP 11802677 A EP11802677 A EP 11802677A EP 2649464 A1 EP2649464 A1 EP 2649464A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
magnetic field
static
vector
frequency
radiofrequency
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11802677.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Denis Grenier
Hervé Saint-Jalmes
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Rennes 1
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Rennes 1 filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2649464A1 publication Critical patent/EP2649464A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48NMR imaging systems
    • G01R33/483NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48NMR imaging systems
    • G01R33/483NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy
    • G01R33/4831NMR imaging systems with selection of signals or spectra from particular regions of the volume, e.g. in vivo spectroscopy using B1 gradients, e.g. rotating frame techniques, use of surface coils

Definitions

  • the invention relates to the field of methods for characterizing an object (material, biological sample or entire biological system in vivo or in vitro) using a Nuclear Magnetic Resonance spectrometer.
  • the invention also relates to the field of nuclear magnetic resonance spectrometry apparatus for acquiring the magnetization of an object as defined above.
  • NMR Nuclear Magnetic Resonance
  • Brownian motion is fast enough that, on average, the dipole interactions undergone by the atoms are considered as null or relatively weak.
  • NMR spectrometry for the study of a solid object is only possible under the condition of placing this object in circumstances which make it possible to recreate artificially the averaging effect of interactions so that from the point of view of NMR, the object can be likened to a liquid.
  • the non-zero dipolar interaction will allow the nuclei of the constituent atoms of the solid to interact with each other and to distribute their spin in all directions.
  • the vector sum (magnetization) of the spins is then zero.
  • the solid material is rapidly rotated around an axis forming an angle ⁇ m with the vector of the static magnetic field necessary for NMR spectrometry.
  • the measurement is carried out in a terrestrial reference which is that of the laboratory.
  • a second method known from document US 2008/0 116 889, makes it possible to dispense with the need for the rotation of the solid material to be studied in order to "suppress" the dipolar interaction.
  • this second method it is the main magnetic field (normally static) in which is placed the material (equivalent to the static magnetic field of the preceding method) which undergoes a rotation.
  • the rotation of the main magnetic field is obtained by rotating magnets.
  • the rotation of the main magnetic field then creates the necessary condition for the average of 1 -3.cos 2 (0) to be zero.
  • the major disadvantage of this process is the need to rotate magnets of high mass. Indeed, in a conventional NMR spectrometer, the magnet, whether superconductive or resistive, for generating the static magnetic field, is characterized by a mass of several hundred kilograms or even several tons. It is understood that, even at frequencies of only a few hertz, rotating parts of several tons implies a very important and expensive technological change of current NMR spectrometers.
  • MEPS Magic Echo Pulse Sandwich
  • the effective field B eff perceived by the atoms is equal to the radio frequency field B ⁇
  • the dipolar interaction perceived by the atoms is -1 / 2 times the dipolar interaction they perceive in the absence of the radio frequency field Bi.
  • the principle of MEPS allows to cancel the dipole interaction at a given moment. For this purpose, during part of the measurement, the atoms are allowed to evolve freely for a duration ⁇ , during which time they are subjected to a dipolar interaction of value H d .
  • This technique has the advantage of "artificially” rotating the effective field seen by the atoms thanks to the magnetic field effective B e ff created. It also has the advantage of recreating the conditions for zeroing the dipolar and quadrupole interaction.
  • this condition is realized only at time 3 ⁇ ; a single point of the signal then verifies the zero dipolar interaction condition.
  • measurements made a few microseconds around the time 3 ⁇ may already be too tainted by the dipolar and / or quadrupole interactions to be exploitable.
  • An object of the invention is to allow NMR spectrometry of solid objects, or with solid parts, quickly and non-destructively.
  • the invention proposes a method for characterizing a sample by means of a Nuclear Magnetic Resonance spectrometer comprising an enclosure in which the sample is placed, a static magnetic field generator, a radio frequency magnetic field generator, and at least one sensor, the method comprising the following steps: generating in the enclosure, by the static magnetic field generator, a static magnetic field according to a static vector;
  • the radiofrequency magnetic field generator generating in the chamber and for a predetermined duration, by the radiofrequency magnetic field generator, a radiofrequency magnetic field according to a radiofrequency vector;
  • the method further comprises the step of acquiring, by at least one sensor, a magnetization of the sample during the determined duration;
  • an effective vector, to which the magnetization of the sample is subjected during the determined duration is rotatable with respect to a terrestrial reference for the determined duration, the effective vector resulting from the static and radiofrequency magnetic fields, and the sample being fixed in relation to the terrestrial reference.
  • An advantage of this method is that it is not necessary to rotate the sample or to rotate the static magnetic field (equivalent to the main magnetic field). Thus, it is possible to make in vivo studies of objects (for example animals, see humans) without requiring modification of the enclosure housing one or more magnets that generate the static magnetic field.
  • Another advantage of this method is that the sample is placed under conditions for which the dipolar interaction is zero for each atom (and not only its influence on the entire sample) and this throughout the duration of the acquisition.
  • the effective vector is rotating in a plane orthogonal to the static vector
  • the effective vector is rotated in a plane orthogonal to the static vector at the Larmor frequency
  • the magnetization of the sample is acquired by at least two sensors; a first sensor positioned to acquire collinear magnetic signals to the static vector, having a frequency close to the effective frequency, and at least one second sensor positioned to acquire magnetic signals collinear with the plane orthogonal to the static vector, having a frequency close to the frequency of Larmor.
  • the invention also proposes a Nuclear Magnetic Resonance spectrometry apparatus for acquiring a magnetization of a sample comprising:
  • a static magnetic field generator for generating a magnetic field in the enclosure along a static vector
  • a radiofrequency magnetic field generator for generating a radiofrequency magnetic field in the enclosure according to a radiofrequency vector for a predetermined period
  • the apparatus further comprises at least one sensor for measuring the magnetization of the sample for the determined duration.
  • the radiofrequency magnetic field generator comprises at least two magnets or coils each generating a magnetic field radiofrequency so that the effective magnetic field, resulting from the two radiofrequency magnetic fields of the magnets or coils and the static magnetic field, has an effective vector rotating with respect to the terrestrial reference;
  • V ef f y - B eff ,
  • y being the gyromagnetic ratio characteristic of a nucleus of a studied atom
  • the static magnetic field generator, the radiofrequency magnetic field generator and the sensor or sensors are fixed relative to the terrestrial reference during operation of the apparatus.
  • FIGS. 1 a to 1c are detailed representations of the effects of the magnetic fields normally used in NMR spectrometry on the magnetic moments of atomic nucleus spin studied;
  • Figure 2 is a schematic representation of a phenol molecule taken as an example in the "Principle of NMR spectrometry" part of the description;
  • Figure 3 is a schematic representation of an apparatus according to one embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of a particular embodiment of the apparatus of Figure 3;
  • Figure 5 schematically shows an example of implementation of the method of the invention
  • FIG. 6 is a timing diagram showing the magnetic fields generated (at the top the radiofrequency magnetic field and at the bottom the static magnetic field) as well as the acquisition step during the implementation of the method of FIG. 5;
  • Figure 7 illustrates the decoupling of the "butterfly" type surface antenna and the linear volumetric coil
  • FIG. 8 illustrates an acquisition step in the form of a chronogram accompanied by the form of the acquired signals
  • FIG 9 shows the various references and their relationship during the implementation of the present invention.
  • Nuclear Magnetic Resonance spectrometry consists of acquiring a signal proportional to the sum of the magnetic spin moments of the atoms of an element. contained in an object placed in a magnetic field, for example 1 H hydrogen atoms (this spectrometry is then called proton NMR), deuterium ( 2 H), carbon 13 ( 13 C), etc.
  • a magnetic spin moment is conventionally represented as a vector having a direction, a meaning and a norm. Each atom considered has a magnetic moment of spin.
  • the vector sum of the magnetic spin moments of a material is called its magnetization.
  • the magnetic field in which the material is placed consists of a static magnetic field with respect to a terrestrial reference frame which is that of the laboratory, and a radiofrequency magnetic field.
  • the static magnetic field is applied to the sample continuously throughout the experiment.
  • the radiofrequency magnetic field is pulsed (i.e., briefly for a specified duration).
  • the magnetization of the object is measured in the absence of radiofrequency field.
  • FIGS. 1a to 1c illustrate the known technique of NMR which consists of generating a static magnetic field B 0 according to a static vector B Q in a continuous manner in an enclosure 11 in which is placed an object 2 of the studied material, to generate a radiofrequency magnetic field ⁇ in the form of a radiofrequency pulse following a radio frequency vector ⁇ 1 for a determined duration T in the enclosure A2, and acquiring the magnetization M of the sample A1 after a predetermined period of change.
  • the amplitude of the static magnetic field B 0 is of the order of Tesla while that of the radio frequency magnetic field is at most of the order of milliTesla.
  • FIG. 1a shows the influence of the static magnetic field B 0 on the magnetic spin moments of the atoms (represented by vectors S originating from a common point in space).
  • the angle that each of the magnetic spin moments S of the atoms with the static vector B 0 makes is fixed and these magnetic spin S moments make a precessional movement around the static vector B 0 .
  • the link between the intensity of the static field B 0 and the rotation frequency v 0 of the magnetizations is given by the relation:
  • v 0 y ⁇ B 0 ;
  • FIG. 1b shows the influence of the radiofrequency magnetic field B i (represented by the radiofrequency vector ⁇ 1 , usually chosen orthogonal to the static vector B 0 ).
  • the magnetization M of the material rotates around the radiofrequency vector B whose angle is proportional to the intensity and the determined duration T of the generation of the radio frequency magnetic field Bi.
  • the duration T is chosen so that the angle of rotation is 90 ° (TT / 2) OR 180 ° (TT).
  • TT has been shown in Figure 1b a rotation of 90 °.
  • FIG. 1c shows the evolution of the magnetization M of the material after the determined duration T, while the static magnetic field B 0 continues to be generated and while the radiofrequency magnetic field is no longer generated.
  • the magnetization M will return to the equilibrium state by loss of energy.
  • This return to the state of equilibrium is done according to a precession movement (see arrow F in FIG. 1c) at a frequency specific to each of the magnetic moments of spin S composing the object.
  • the frequency of the magnetic signal generated by the return to the equilibrium state of an atom is not the same for the same element if it can be in different electronic environments.
  • the phenol comprises six hydrogen atoms H a , H b , H c , H d , but the magnetic S spin moments of each of the atoms will not all return to the equilibrium state at the same frequency .
  • the hydrogen atom H has connected to the oxygen atom 0, the hydrogen atoms H in the so-called "ortho" position, the atoms of hydrogen H c in the so-called “meta” position and the hydrogen atom H d in the so-called “para” position.
  • Each group sees its magnetic spin S moment return to steady state at a different frequency than the other groups because their electronic environments are different. Nevertheless, these differences are minimal. They can still be distinctly detected.
  • the total acquired signal is then a sum of the magnetic signals at various frequencies. A Fourier transform makes it possible to highlight these different frequencies, thus forming an NMR spectrum of the sample.
  • proton NMR spectrometry i.e., 1 H hydrogen
  • proton NMR spectrometry i.e., 1 H hydrogen
  • B represents the vector of the magnetic field and B represents the amplitude of the associated vector and also refers to the magnetic field.
  • an NMR spectrometry apparatus 1 for acquiring a magnetization of a sample is hereinafter described.
  • the NMR spectrometry apparatus 1 comprises a sample support 12 for receiving the sample 2.
  • the support 12 is intended to remain fixed with respect to a terrestrial reference system during the operation of the apparatus 1.
  • the apparatus 1 also comprises an enclosure 11 in which the sample support 12 is placed.
  • This enclosure 11 forms a volume in which magnetic fields will be generated.
  • the apparatus 1 further comprises a static magnetic field generator 13 for the generation of a static magnetic field B 0 in the static vector enclosure B 0 .
  • the static magnetic field generator 13 is capable of generating a static magnetic field B 0 of magnitude of the Tesla order, typically between 0.1 T and 16 T.
  • This static magnetic field B 0 makes it possible to make the vector sum of the magnetic moments of spin S of the non-zero hydrogen atoms in the direction of the static vector B 0 without, however, making the magnetic spin moments S individually collinear with the static vector B Q.
  • the sum of the magnetic moments of spin S is the macroscopic magnetization M, which is collinear with the static vector B Q and of the same direction.
  • the magnetic moments of spin S form with this static vector B 0 fixed angles and make a precession movement around the static vector B 0 at the rotation frequency v 0 .
  • the apparatus also includes a 14 RF magnetic field generator for generating an RF magnetic field Bi in the enclosure 11 vector radiofrequency June 1.
  • the static magnetic field generator 13 is capable of generating a radiofrequency magnetic field of amplitude between a few microteslas ( ⁇ ) and a few milliteslas (mT), typically between 1 ⁇ and 1 mT, which corresponds to frequencies between approximately 40 Hz and 40 kHz for the proton.
  • the radiofrequency magnetic field ⁇ is generated, for a determined duration T, in the form of a pulse applied to the radiofrequency frequency v ⁇ .
  • the radio frequency field B i is modulated so that the resultant of the static magnetic fields B 0 and radiofrequency B As seen by the rotating atoms (see Fig.
  • the radiofrequency magnetic field ⁇ thus makes it possible to turn the magnetization M around the effective vector B eff .
  • the apparatus 1 comprises at least one sensor 15, 16 for acquiring the magnetization M of the sample during the generation of the field magnetic radio frequency Bi. This acquisition is made during the determined period T.
  • the apparatus 1 further comprises an actuator 17 for controlling the generation of the radiofrequency field ⁇ sinusoidally.
  • the rotation frequency of the magnetization M (due to the effective rotating field B e ff) can be raised to a high value (greater than the hundred kilohertz and possibly reach the megahertz) compared to the prior art of MAS which is confined a few tens of kilohertz.
  • the radiofrequency magnetic field generator 14 is composed of a single magnet or coil.
  • the actuator 17 then controls the radiofrequency magnetic field generator 14 for the generation of a sinusoidally modulated radiofrequency field Ag to rotate the effective field B e ff.
  • the radiofrequency magnetic field generator 14 may comprise at least two magnets or coils 141, 142 (see FIG. 4) each generating a partial radiofrequency magnetic field. This makes it possible to obtain a BT radio frequency field whose amplitude is more intense.
  • the actuator 17 then controls the generation of the partial radiofrequency magnetic fields by the two coils 141, 142, so that the effective field B e ff resulting from the two partial radiofrequency magnetic fields of the coils 141,
  • Partial radiofrequency magnetic fields are, for example, modulated sinusoidally and in phase quadrature with respect to each other (which amounts to having a partial radiofrequency magnetic field modulated by a sine function and the other by a cosine function).
  • the precession frequency around the effective field B e ff is sufficiently large (ie of the same order as the frequencies used in the MAS techniques, greater than a few hertz)
  • the virtual rotation frequency v eff responsible averaging dipolar interactions and quadrupole being simply controlled by the intensity of the radiofrequency field B ⁇ applied it is neither the sample nor the static field B 0 which must be rotated and tilted at the magic angle 0 m but only the effective field B eff , the latter operation being performed by appropriately selecting the frequency and amplitude of the radio frequency field B ⁇ It is simple to give B i amplitudes ranging from a few ⁇ to mT, these amplitude generating a virtual rotation frequency v e ff ranging from a few Hz to several tens of kHz.
  • a first sensor 15 may be placed according to the static vector B Q and be set to detect frequencies around the effective frequency v e ff.
  • the effective frequency v e ff is due to the effective magnetic field B e ff seen by the sample 2.
  • the effective magnetic field B e ff results from the combination of static magnetic fields B 0 , and radiofrequency B ⁇ (without taking into account the electronic environment of the hydrogen atom), and has for formula, the following relation:
  • the first sensor 15 makes it possible to acquire signals having frequencies close to the effective frequency v e ff which correspond to the signals resulting from the precessional movement of the S magnetic spin moments of the hydrogen atoms of the sample 2 around the effective B eff field.
  • Two second sensors 16 may be placed in a plane orthogonal to the static vector B 0 and adapted to acquire signals at the Larmor frequency v 0 .
  • the one or more sensors 15, 16 are decoupled from the generator (s) 14; 141, 142 radiofrequency magnetic field B This decoupling can be performed geometrically or electronically. An example is described below.
  • the use of the first and second sensors 15, 16 makes it possible to acquire the variations of the magnetization M according to the three dimensions of the space in the reference frame of the laboratory.
  • the configuration of the sensors can be chosen from the following:
  • a sample 2 is placed on the support 12 of the 1 NMR apparatus inside the chamber 11.
  • the method comprises a generation step E1 in the chamber 11 of the apparatus 1, by the static magnetic field generator 13, a static magnetic field B 0 of static vector B 0 collinear with a unit vector z.
  • the method also comprises a step E2 of generating in the chamber 11, by the radiofrequency magnetic field generator 14, a radiofrequency magnetic field ⁇ radiofrequency vector ⁇ 1 .
  • the radiofrequency magnetic field ⁇ ⁇ is generated, for a determined duration T, in the form of a pulse I.
  • the radiofrequency magnetic field ⁇ is, during the determined duration T, modulated so that an effective field B e ff VU by the atoms of the object results from the static magnetic fields B 0 and radiofrequency B 1; and effective vector B eff rotating with respect to a terrestrial reference, such that:
  • the effective vector B e ⁇ of the effective field B e ff is animated by a precession movement around the static vector B 0 at the frequency v 0 .
  • the radiofrequency field B i was chosen so that the effective vector B eff forms a magic angle of 0 m of 54.74 ° with the static vector B 0 .
  • the radiofrequency magnetic field B i may comprise only one sinusoidally modulated component. In this case, only the effective vector B eff revolves with respect to a terrestrial reference.
  • the radio frequency magnetic field ⁇ may also comprise two modulated components sinusoidally and in quadrature phase.
  • the radiofrequency vectors B ⁇ and effective B eff are rotated relative to a terrestrial reference.
  • the rotation frequency of the magnetization M (due to the effective field B e ff rotating and proportional to the effective frequency v e ff) can be raised to a high value, which can exceed megahertz, compared to the prior art which is limited to a few tens of kilohertz.
  • the experimenter chooses the virtual rotation speed, proportional to the effective frequency v e ff, that he wants to impose on the sample. Once this effective rotation speed has been chosen (between a few hertz and the megahertz), the amplitude of the radiofrequency field ⁇ as well as its frequency V i are found by solving the system of equation:
  • the method also comprises an acquisition step E3, by at least one sensor 15, 16, of a magnetization M of the sample 2.
  • This acquisition step E3 is carried out during the determined duration T and lasts a period of time. acquisition T has included in the determined duration T (see Figure 6).
  • a first antenna 14 is a linear volumetric coil (for example a Rapidbiomedical model V-HLS-047) for the emission of the radiofrequency magnetic field and a second 15 is an antenna.
  • Surface-type "butterfly" for reception.
  • the decoupling of the two coils 14, 15 is performed in two steps. Firstly, an optimum rotation of angle ⁇ is applied to the plane of the throttle antenna in order to make the throttle antenna as parallel as possible to the radiofrequency vector ⁇ 1 generated by the transmitting antenna 14. This minimizes the flow of the radio frequency magnetic field B1 through the two loops of the butterfly antenna to a residual flow. Then, the butterfly antenna is moved in translation inside the transmitting antenna 14. By taking advantage of the non-uniform nature of the radio frequency magnetic field B 1; it is possible to find a position in which the difference in flux between the two loops 151, 152 of the throttle antenna 15 can cancel the residual flow.
  • the sample 2 can be positioned inside a first loop 151 of the butterfly antenna (see FIG. 7).
  • the flux produced by the magnetization of the sample is maximum in the first loop 151 and almost zero in the second loop 152.
  • the acquisition step E3 may comprise the substep of acquisition E31 of magnetic signals having a frequency close to the effective frequency v e ff. This low-frequency signal provides information on the evolution over time of the magnetizations along the axis of the static field B 0 .
  • the acquisition step E3 may also comprise the substep of acquisition E32 of magnetic signals having a frequency close to the frequency of Larmor v 0 . This step makes it possible to follow the evolution of the signal over time in the plane perpendicular to the static vector
  • the signals collected by the sensors 15, 16 can then be filtered E4 to eliminate spurious signals from the generators 13, 14; 13, 141, 142 of magnetic fields.
  • the collected signals are then processed E5 to reconstruct a three-dimensional signal describing over time the evolution of the magnetization
  • the three-dimensional signal can be described in spherical coordinates by three parameters (p, ⁇ , cp) corresponding to the amplitude, latitude and colatitude of the signal.
  • a demodulation step E6 may be performed on the three-dimensional signal to represent it in the terrestrial frame according to a fixed reference.
  • FIG. 8 illustrates a timing diagram showing the acquisition of the signals during the emission of the radio frequency magnetic field B. According to this particular timing diagram, the acquisition is triggered before the radiofrequency magnetic field ⁇ is applied and the acquisition ends after the radiofrequency magnetic field is cut off.
  • Figure 8 also shows the two acquired signals.
  • the first at the top corresponds to the real part of the transverse magnetization while the second at the bottom corresponds to the complex part of this magnetization.
  • These two oscillating and observable signals persist for a time of more than 300 ms, which is a relatively long time in the field of NMR acquisition. When the radiofrequency magnetic field is cut off, the observed signal disappears in only about twenty milliseconds.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de caractérisation d'un échantillon (2) au moyen d'un spectromètre de Résonance Magnétique Nucléaire dans lequel un champ efficace (Beff) ayant un vecteur efficace (I) et résultant d'un champ magnétique statique (B0) et d'un champ magnétique radiofréquence (B1) est généré; caractérisé en ce que le vecteur efficace (I) est tournant par rapport à un référentiel terrestre. L'invention concerne également un appareil (1) pour la mise en oeuvre du procédé.

Description

PROCEDE DE CARACTERISATION D'ECHANTILLON PAR SPECTROMETRIE RMN AVEC ACQUISITION PENDANT LA GENERATION D'UN CHAMP MAGNETIQUE
RADIOFREQUENCE
Domaine technique
5
L'invention concerne le domaine des procédés de caractérisation d'un objet (matériau, échantillon biologique ou système biologique entier in vivo ou in vitro) au moyen d'un spectromètre de Résonance Magnétique Nucléaire. L'invention concerne également le domaine des appareils de 10 spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire pour l'acquisition de l'aimantation d'un objet tel que défini ci-dessus.
État de la technique
15 Afin de pouvoir étudier un objet en spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), il peut être nécessaire de supprimer ou limiter l'influence de certaines interactions se produisant entre les atomes composant l'objet à étudier, par exemple l'interaction dipolaire et/ou quadrupolaire entre les noyaux des atomes.
20 La suppression de ces interactions entre noyaux est généralement effectuée par un moyennage.
Pour un liquide, tel que l'eau contenue dans la grande majorité des tissus biologiques, les molécules se meuvent et subissent des rotations aléatoirement suivant toutes les directions (ce que l'on appelle le
25 mouvement brownien). Ce mouvement brownien est suffisamment rapide pour que, en moyenne, les interactions dipolaires subies par les atomes soient considérées comme nulles ou relativement faibles.
C'est pourquoi la spectrométrie RMN est relativement simple à mettre en place pour l'étude d'objets liquides.
30 En revanche, la spectrométrie RMN pour l'étude d'un objet solide n'est possible qu'à la condition de placer cet objet dans des circonstances permettant de recréer artificiellement l'effet de moyennage des interactions pour que du point de vue de la RMN, l'objet puisse être assimilé à un liquide.
En effet, dans un solide, le mouvement brownien n'est plus assez rapide pour que les interactions dipolaires et/ou quadrupolaires perçues par les noyaux soient nulles en moyenne.
Notamment, l'interaction dipolaire non nulle va permettre aux noyaux des atomes constitutifs du solide d'interagir entre eux et de répartir leur spin dans toutes les directions. La somme vectorielle (aimantation) des spins est alors nulle.
L'annulation de l'aimantation intervient d'autant plus rapidement que l'interaction dipolaire est forte. Souvent, l'interaction dipolaire est suffisamment forte pour que l'aimantation s'annule trop rapidement pour pouvoir être utilisée (mesurée).
Les interactions dipolaires et quadrupolaires entre deux noyaux d'atome sont proportionnelles à 1 -3.cos2 (0), où Θ est un angle formé par un champ magnétique statique appliqué et un vecteur reliant les centres des deux noyaux. Ainsi, pour annuler les effets de ces interactions, il suffit que la moyenne de 1 -3.cos2 (0) puisse être considérée comme nulle. Si l'angle Θ est, en moyenne, égal à 0m = arccos(3"1 /2) ou n-arccos(3"1 /2) (soit approximativement 54,74° ) alors la moyenne de 1 -3.cos2 (0) est nulle. Cet angle 0m est appelé angle magique (Magic Angle en anglais). Afin d'obtenir la moyenne 0m pour l'angle 0, le matériau solide est mis en rotation rapide autour d'un axe formant un angle 0m avec le vecteur du champ magnétique statique nécessaire à la spectrométrie RMN. Plus la rotation est rapide, plus l'effet de moyennage des interactions est efficace et plus on se rapproche du comportement d'un échantillon liquide et donc meilleure est la résolution des mesures. La mesure est réalisée dans un référentiel terrestre qui est celui du laboratoire.
Cette technique de spectroscopie adaptée aux solides est appelée technique de « rotation à l'angle magique » et plus communément en anglais « Magic Angle Spinning » (MAS). Un inconvénient majeur de ce procédé est la nécessité de mettre l'objet en rotation. Dans le cadre de la suppression de l'interaction dipolaire, afin d'obtenir une résolution suffisante, la rotation est réalisée à une fréquence comprise entre 1 Hz et 40 kHz. Il n'est donc pas possible d'utiliser ce procédé in vivo, pour étudier, par exemple, des sujets humains.
De plus, ces vitesses de rotation même à une fréquence de 40 kHz sont parfois encore trop lentes pour que l'interaction quadrupolaire éventuellement présente dans l'objet puisse être considérée comme moyennée à zéro.
Un deuxième procédé, connu du document US 2008/0 116 889, permet de s'affranchir de la nécessité de la rotation du matériau solide à étudier pour « supprimer » l'interaction dipolaire.
Dans ce deuxième procédé, c'est le champ magnétique principal (normalement statique) dans lequel est placé le matériau (équivalent au champ magnétique statique du procédé précédent) qui subit une rotation. La rotation du champ magnétique principal est obtenue en mettant en rotation des aimants. La rotation du champ magnétique principal crée alors la condition nécessaire pour que la moyenne de 1 -3.cos2(0) soit nulle.
L'inconvénient majeur de ce procédé est la nécessité de mettre en rotation des aimants de forte masse. En effet, dans un spectromètre RMN classique, l'aimant, qu'il soit supraconducteur ou résistif, permettant de générer le champ magnétique statique, est caractérisé par une masse de plusieurs centaines de kilogrammes voire de plusieurs tonnes. On comprend alors que, même à des fréquences de seulement quelques hertz, mettre en rotation des pièces de plusieurs tonnes implique une modification technologique très importante et coûteuse des spectromètres RMN actuels.
Une autre technique appelée technique des « sandwichs d'impulsion à écho magique » plus communément appelée en anglais « Magic Echo Puise Sandwich » (MEPS) peut être utilisée sur des objets solides sans nécessiter l'utilisation de pièces mobiles. Cette dernière technique repose sur le fait que, lorsque, en plus du champ magnétique statique B0, on applique un champ radiofréquence B1 ; le champ perçu par les atomes est un champ efficace Beff dont les caractéristiques géométriques sont données par l'équation : où VT est la fréquence du champ radiofréquence Βτ appliqué, B0 = B0z , et y est le rapport gyromagnétique du noyau étudié exprimé en Ηζ·Τ1 (γ = 2,68·108 rad-Hz/T et y = -^— ).
2 · π
Lorsque la fréquence v1 ; à laquelle le champ BÏ est appliqué, est égale à y BQ (fréquence de résonance des atomes considérés), le champ efficace Beff perçu par les atomes est égal au champ radiofréquence B^ Il peut être démontré que dans ces conditions, l'interaction dipolaire perçue par les atomes est -1 /2 fois l'interaction dipolaire qu'ils perçoivent en l'absence du champ radiofréquence Bi . Le principe des MEPS permet d'annuler l'interaction dipolaire à un instant donné. Pour cela, pendant une partie de la mesure, on laisse les atomes en évolution libre pendant une durée τ, durée pendant laquelle ils sont soumis à une interaction dipolaire de valeur Hd. On fait ensuite subir à ces atomes, pendant une durée 2τ, un champ radiofréquence BÏ appliqué à la fréquence y BQ pour qu'ils soient soumis pendant cette durée 2τ à une interaction dipolaire de valeur -1 /2 Hd. Dans ces conditions, à l'instant 3τ, l'aimantation est totalement affranchie de l'interaction dipolaire (c'est-à- dire que sur l'ensemble des atomes, l'influence de l'interaction dipolaire est nulle, comme si l'aimantation n'avait subi aucune interaction dipolaire). C'est à cet instant 3τ que le signal est acquis.
Cette technique présente l'avantage de rendre « artificiellement » tournant le champ efficace vu par les atomes grâce au champ magnétique efficace Beff créé. Elle présente également l'avantage de recréer les conditions de mise à zéro de l'interaction dipolaire et quadrupolaire.
Par contre, cette condition n'est réalisée qu'au seul instant 3τ ; un seul point du signal vérifie alors la condition d'interaction dipolaire nulle. Or, si les interactions dipolaires et quadrupolaires sont importantes, les mesures effectuées quelques microsecondes autour de l'instant 3τ peuvent déjà être trop entachées par les interactions dipolaires et/ou quadrupolaires pour être exploitables.
Ainsi, avec cette technique, pour acquérir un signal totalement affranchi de l'interaction dipolaire, il faut effectuer une acquisition point par point de ce signal pour différentes valeurs de la durée τ et en vérifiant que, pour chaque point acquis à l'instant 3τ, la condition d'évolution, dans laquelle les atomes sont en évolution libre (i.e. soumis à Hd) pendant une durée τ et en évolution imposée par le champ statique B0 (i.e. soumis à -1 /2 Hd) pendant une durée 2τ, soit remplie.
L'acquisition d'un signal pour un échantillon solide se fait donc point par point avec cette technique. Elle est donc beaucoup plus lente (d'un ordre cent à mille) que celle utilisant le MAS. Présentation
Un but de l'invention est de permettre la spectrométrie RMN d'objets solides, ou comportant des parties solides, de manière rapide et non destructive.
Pour cela, l'invention propose un procédé de caractérisation d'un échantillon au moyen d'un spectromètre de Résonance Magnétique Nucléaire comprenant une enceinte dans laquelle est placé l'échantillon, un générateur de champ magnétique statique, un générateur de champ magnétique radiofréquence, et au moins un capteur, le procédé comprenant les étapes suivantes : génération dans l'enceinte, par le générateur de champ magnétique statique, d'un champ magnétique statique suivant un vecteur statique;
génération dans l'enceinte et pendant une durée déterminée, par le générateur de champ magnétique radiofréquence, d'un champ magnétique radiofréquence suivant un vecteur radiofréquence ;
caractérisé en ce que le procédé comprend en outre l'étape d'acquisition, par au moins un capteur, d'une aimantation de l'échantillon pendant la durée déterminée ; et
en ce qu'un vecteur efficace, auquel l'aimantation de l'échantillon est soumise pendant la durée déterminée, est tournant par rapport à un référentiel terrestre pendant la durée déterminée, le vecteur efficace résultant des champs magnétiques statique et radiofréquence, et l'échantillon étant fixe par rapport au référentiel terrestre.
Un avantage de ce procédé est qu'il n'est nécessaire ni de mettre en rotation l'échantillon ni de mettre en rotation le champ magnétique statique (équivalent au champ magnétique principal). Ainsi, il est possible de faire des études in vivo des objets (par exemple des sujets animaux, voir humains) sans nécessiter la modification de l'enceinte abritant un ou plusieurs aimants qui génèrent le champ magnétique statique.
Un autre avantage de ce procédé est que l'échantillon est placé dans des conditions pour lesquelles l'interaction dipolaire est nulle pour chaque atome (et non uniquement son influence sur la totalité de l'échantillon) et ce pendant toute la durée de l'acquisition.
D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives sont :
le champ magnétique radiofréquence est modulé de manière à ce que le champ efficace appliqué à l'échantillon aie son vecteur efficace donné par Beff = et définissant un angle (0m)
d'approximativement 54,74° avec le vecteur statique, étant une fréquence proche de la fréquence de Larmor v0 due au champ magnétique statique, cette fréquence VÏ étant due au champ magnétique radiofréquence ;
le vecteur efficace est tournant dans un plan orthogonal au vecteur statique ;
le vecteur efficace est tournant dans un plan orthogonal au vecteur statique à la fréquence de Larmor ; et
l'acquisition de l'aimantation de l'échantillon est effectuée par au moins deux capteurs ; un premier capteur placé de manière à acquérir des signaux magnétiques colinéaires au vecteur statique, ayant une fréquence proche de la fréquence efficace, et au moins un deuxième capteur placé de manière à acquérir des signaux magnétiques colinéaires au plan orthogonal au vecteur statique, ayant une fréquence proche de la fréquence de Larmor.
L'invention propose également un appareil de spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire pour l'acquisition d'une aimantation d'un échantillon comprenant :
un support d'échantillon fixe par rapport à un référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil ;
une enceinte dans laquelle est placé le support d'échantillon ; un générateur de champ magnétique statique pour la génération d'un champ magnétique dans l'enceinte suivant un vecteur statique ; un générateur de champ magnétique radiofréquence pour la génération d'un champ magnétique radiofréquence dans l'enceinte suivant un vecteur radiofréquence pendant une durée déterminée ;
caractérisé en ce que l'appareil comprend en outre au moins un capteur pour mesurer l'aimantation de l'échantillon pendant la durée déterminée.
D'autres caractéristiques optionnelles et non limitatives sont :
le générateur de champ magnétique radiofréquence comprend au moins deux aimants ou bobines générant chacun un champ magnétique radiofréquence de manière à ce que le champ magnétique efficace, résultant des deux champs magnétiques radiofréquences des aimants ou bobines et du champ magnétique statique, ait un vecteur efficace tournant par rapport au référentiel terrestre ;
un premier capteur est placé suivant le vecteur statique et réglé de manière à acquérir des signaux à des fréquences proches d'une fréquence efficace résultant d'un champ magnétique efficace appliqué à l'échantillon tel que :
V! étant une fréquence proche de la fréquence de Larmor due au champ magnétique statique, la fréquence étant due au champ magnétique radiofréquence, et B0 = B0z ; et
Veff = y - Beff ,
y étant le rapport gyromagnétique caractéristique d'un noyau d'un atome étudié ;
deux deuxièmes capteurs sont placés dans un plan orthogonal au vecteur statique et adaptés pour acquérir un signal à une fréquence de Larmor due au champ magnétique statique avec :
v0 = y · B0 ,
étant le rapport gyromagnétique caractéristique d'un noyau d'un atome étudié ;
le générateur de champ magnétique statique, le générateur de champ magnétique radiofréquence et le ou les capteurs sont fixes par rapport au référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil.
Présentation des dessins
D'autres caractéristiques, buts et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux dessins donnés à titre illustratif et non limitatif, parmi lesquels : les figures 1 a à 1c sont des représentations détaillées des effets des champs magnétiques utilisés habituellement en spectrométrie RMN sur les moments magnétiques de spin de noyau d'atome étudié ;
la figure 2 est une représentation schématique d'une molécule de phénol prise comme exemple dans la partie « principe de la spectrométrie RMN » de la description ;
la figure 3 est une représentation schématique d'un appareil selon un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 4 est une représentation schématique d'un mode de réalisation particulier de l'appareil de la figure 3 ;
la figure 5 présente schématiquement un exemple de mise en œuvre du procédé de l'invention ;
la figure 6 est un chronogramme montrant les champs magnétiques générés (en haut le champ magnétique radiofréquence et en bas le champ magnétique statique) ainsi que l'étape d'acquisition pendant la mise en œuvre du procédé de la figure 5 ;
la figure 7 illustre le découplage de l'antenne de surface type « papillon » et de la bobine volumétrique linéaire ;
la figure 8 illustre une étape d'acquisition sous forme d'un chronogramme accompagné de la forme des signaux acquis ; et
la figure 9 montre les différents repères et leur relation lors de la mise en œuvre de la présente invention.
Description détaillée
Principe de la spectrométrie RMN
Ci-après est décrite la méthode classique d'acquisition de signaux en spectrométrie RMN.
De manière générale, la spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire (spectrométrie RMN) consiste à acquérir un signal proportionnel à la somme des moments magnétiques de spin des atomes d'un élément contenu dans un objet placé dans un champ magnétique, par exemple les atomes d'hydrogène 1H (cette spectrométrie est alors dite RMN du proton), de deutérium (2H), de carbone 13 (13C), etc. On représente classiquement un moment magnétique de spin comme un vecteur ayant une direction, un sens et une norme. Chaque atome considéré possède un moment magnétique de spin. La somme vectorielle des moments magnétiques de spin d'un matériau est appelée son aimantation.
En l'absence de champ magnétique appliqué, les moments magnétiques de spin des atomes étudiés sont orientés aléatoirement dans l'espace. L'aimantation est alors nulle en moyenne.
Le champ magnétique dans lequel est placé le matériau est constitué d'un champ magnétique statique par rapport à un référentiel terrestre qui est celui du laboratoire, et d'un champ magnétique radiofréquence. Le champ magnétique statique est appliqué sur l'échantillon en permanence tout au long de l'expérience. Le champ magnétique radiofréquence est appliqué de manière impulsionnelle (c'est-à-dire de manière brève pendant une durée déterminée). L'aimantation de l'objet est mesurée en l'absence de champ radiofréquence.
Les figures 1 a à 1c illustrent la technique connue de la RMN qui consiste à générer un champ magnétique statique B0 suivant un vecteur statique BQ de manière continue dans une enceinte 11 dans laquelle est placé un objet 2 du matériau étudié, à générer un champ magnétique radiofréquence Βτ sous la forme d'une impulsion radiofréquence suivant un vecteur radiofréquence β1 pendant une durée déterminée T dans l'enceinte A2, et acquérir l'aimantation M de l'échantillon A1 après une durée d'évolution prédéterminée. L'amplitude du champ magnétique statique B0 est de l'ordre du Tesla alors que celle du champ magnétique radiofréquence est tout au plus de l'ordre du milliTesla.
La figure 1 a montre l'influence du champ magnétique statique B0 sur les moments magnétiques de spin des atomes (représentés par des vecteurs S ayant pour origine un point commun dans l'espace). Sous l'action du champ magnétique statique B0, l'angle que fait chacun des moments magnétiques de spin S des atomes avec le vecteur statique B0 se fixe et ces moments magnétiques de spin S effectuent un mouvement de précession autour du vecteur statique B0 . Le lien entre l'intensité du champ statique B0 et la fréquence de rotation v0 des aimantations est donné par la relation :
v0 = y · B0 ;
y étant appelé le rapport gyromagnétique du noyau considéré exprimé en Hz-T 1.
II peut être démontré que dans ces conditions la somme vectorielle de tous les moments magnétiques de spin S n'est alors plus nulle en moyenne. Cette somme de moments magnétiques de spin S donne l'aimantation M du matériau qui est en moyenne non nulle et suivant la direction et le sens du vecteur statique BQ .
La figure 1 b montre l'influence du champ magnétique radiofréquence BÏ (représenté par le vecteur radiofréquence β1 , habituellement choisi orthogonal au vecteur statique B0 ) .
Sous l'action du champ magnétique radiofréquence B1 ; l'aimantation M du matériau effectue une rotation autour du vecteur radiofréquence B dont l'angle est proportionnel à l'intensité et à la durée déterminée T de génération du champ magnétique radiofréquence Bi . De manière habituelle, la durée T est choisie pour que l'angle de rotation soit de 90° (TT/2) OU 180° (TT). De manière illustrative, a été représentée sur la figure 1 b une rotation de 90° .
L'aimantation M effectue, en fait, un mouvement de précession autour du vecteur statique B0 pendant la rotation de 90° ou de 180° . La figure 1c montre l'évolution de l'aimantation M du matériau après la durée déterminée T, alors que le champ magnétique statique B0 continue à être généré et alors que le champ magnétique radiofréquence ne l'est plus.
Dès que le champ magnétique radiofréquence BÏ n'est plus appliqué dans l'enceinte 11 , l'aimantation M va revenir à l'état d'équilibre par perte d'énergie. Ce retour à l'état d'équilibre se fait suivant un mouvement de précession (voir flèche F sur la figure 1c) à une fréquence propre à chacun des moments magnétiques de spin S composant l'objet. La fréquence du signal magnétique engendré par le retour à l'état d'équilibre d'un atome n'est pas la même pour le même élément si celui- ci peut se trouver dans des environnements électroniques différents. Par exemple, le phénol comprend six atomes d'hydrogène Ha, Hb, Hc, Hd, mais les moments magnétiques de spin S de chacun des atomes ne vont pas tous revenir à l'état d'équilibre à la même fréquence. Il y a quatre groupes d'atomes d'hydrogène (voir figure 2) : l'atome hydrogène Ha relié à l'atome d'oxygène 0, les atomes d'hydrogène H en position dite « ortho », les atomes d'hydrogène Hc en position dite « méta » et l'atome d'hydrogène Hd en position dite « para ». Chacun des groupes voit son moment magnétique de spin S revenir à l'état d'équilibre à une fréquence différente de celle des autres groupes car leurs environnements électroniques sont différents. Néanmoins, ces différences sont minimes. Elles peuvent malgré tout être distinctement détectées. Le signal total acquis est alors une somme des signaux magnétiques à diverses fréquences. Une transformée de Fourrier permet de mettre en évidence ces différentes fréquences, formant ainsi un spectre RMN de l'échantillon.
Ci-après, à des fins d'illustrations uniquement, la spectrométrie RMN du proton (c'est-à-dire de l'hydrogène 1H) sera prise comme exemple. Ceci ne limite pas l'invention à la seule spectrométrie RMN du proton, mais l'homme du métier saura aisément adapter la description qui suit à la spectrométrie RMN d'autres atomes.
Pour les champs magnétiques, B représente le vecteur du champ magnétique et B représente l'amplitude du vecteur associé et réfère également au champ magnétique.
Appareil
En référence aux figures 3 et 4, un appareil 1 de spectrométrie RMN pour l'acquisition d'une aimantation d'un échantillon est ci-après décrit.
L'appareil 1 de spectrométrie RMN comprend un support 12 d'échantillon pour recevoir l'échantillon 2. Le support 12 est destiné à rester fixe par rapport à un référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil 1 .
L'appareil 1 comprend également une enceinte 11 dans lequel est placé le support 12 d'échantillon. Cette enceinte 11 forme un volume dans lequel des champs magnétiques seront générés.
L'appareil 1 comprend encore un générateur 13 de champ magnétique statique pour la génération d'un champ magnétique statique B0 dans l'enceinte 11 de vecteur statique B0 . Le générateur 13 de champ magnétique statique est capable de générer un champ magnétique statique B0 d'amplitude de l'ordre du Tesla, typiquement entre 0.1 T et 16 T. Ce champ magnétique statique B0 permet de rendre la somme vectorielle des moments magnétiques de spin S des atomes d'hydrogène non nulle suivant la direction du vecteur statique B0 sans pour autant rendre les moments magnétiques de spin S individuellement colinéaires au vecteur statique BQ . La somme des moments magnétiques de spin S est l'aimantation macroscopique M , celle ci est colinéaire au vecteur statique BQ et de même sens. Les moments magnétiques de spin S forment avec ce vecteur statique B0 des angles fixes et effectuent un mouvement de précession autour du vecteur statique B0 à la fréquence de rotation v0.
L'appareil comprend également un générateur 14 de champ magnétique radiofréquence pour la génération d'un champ magnétique radiofréquence BÏ dans l'enceinte 11 de vecteur radiofréquence 61 . Le générateur 13 de champ magnétique statique est capable de générer un champ magnétique radiofréquence d'amplitude comprise entre quelques microteslas (μΤ) et quelques milliteslas (mT), typiquement entre 1 μΤ et 1 mT, ce qui correspond à des fréquences comprises entre environ 40 Hz et 40 kHz pour le proton. Le champ magnétique radiofréquence Βτ est généré, pendant une durée déterminée T, sous forme d'une impulsion appliquée à la fréquence radiofréquence v^ Le champ radiofréquence BÏ est modulé de manière à ce que la résultante des champs magnétiques statique B0 et radiofréquence BÏ vue par les atomes tourne (voir la figure 9, où le repère du laboratoire est labellisé (x,y,z), le repère tournant (x',y',z') à la pulsation autour de l'axe z , et le repère effectif (Xeff,Veff,zeff) en rotation à la pulsation ooeff autour de l'axe du champ effectif zeff , zeff étant décalé de l'angle magique par rapport à l'axe z du repère tournant). Cette résultante est appelée champ efficace Beff de vecteur efficace Beff et définie par :
avec y le rapport gyromagnétique du noyau étudié et le vecteur fréquence v., colinéaire au vecteur statique BQ .
Le champ magnétique radiofréquence Βτ permet ainsi de faire tourner l'aimantation M autour du vecteur efficace Beff .
L'appareil 1 comprend au moins un capteur 15, 16 pour acquérir l'aimantation M de l'échantillon pendant la génération du champ magnétique radiofréquence Bi . Cette acquisition est effectuée pendant la durée déterminée T.
L'appareil 1 comprend en outre un actionneur 17 pour commander la génération du champ radiofréquence Βτ de manière sinusoïdale.
Lorsque l'amplitude du champ radiofréquence Βτ ainsi que sa fréquence d'application vérifient la relation :
0M étant l'angle magique, Les interactions dipolaires et quadrupolaires perçues par l'objet sont nulles en moyenne et l'acquisition du signal pendant l'application du champ radiofréquence Β d'amplitude et de fréquence ci-dessus définis permet de s'affranchir de la nécessité de mettre en rotation l'échantillon ou le générateur 13 de champ magnétique statique. Ainsi, il est possible d'étudier des échantillons quel que soit leur état (notamment solide, mais aussi liquide, gazeux, voire un mélange de ceux-ci), voire d'étudier les tissus d'un animal ou d'un être humain in vivo.
La fréquence de rotation de l'aimantation M (due au champ efficace tournant Beff) peut être portée à une valeur élevée (supérieure à la centaine de kilohertz et éventuellement atteindre le mégahertz) par rapport à la technique antérieure de MAS qui se cantonne à quelques dizaines de kilohertz.
Dans un mode de réalisation, le générateur 14 de champ magnétique radiofréquence est composé d'un seul aimant ou bobine. L'actionneur 17 commande alors le générateur 14 de champ magnétique radiofréquence pour la génération d'un champ radiofréquence Β modulé sinusoïdalement afin de faire tourner le champ efficace Beff. Dans un autre mode de réalisation, le générateur 14 de champ magnétique radiofréquence peut comprendre au moins deux aimants ou bobines 141 , 142 (voir figure 4) générant chacun un champ magnétique radiofréquence partiel. Ceci permet d'obtenir un champ radiofréquence BT dont l'amplitude est plus intense. L'actionneur 17 commande alors la génération des champs magnétiques radiofréquences partiels par les deux bobines 141 , 142, de manière à ce que le champ efficace Beff résultant des deux champs magnétiques radiofréquences partiels des bobines 141 ,
142 et du champ magnétique statique B0 aie un vecteur efficace Beff tournant autour du vecteur statique B0 pendant la durée déterminée T.
Les champs magnétiques radiofréquences partiels sont par exemple modulés sinusoïdalement et en quadrature de phase l'un par rapport à l'autre (ce qui revient à avoir un champ magnétique radiofréquence partiel modulé par une fonction sinus et l'autre par une fonction cosinus) .
Pendant l'application du champ radiofréquence B1 ; dont la fréquence V! et l'amplitude ΒΪ répondent à la condition :
les moments magnétiques de spin S et donc l'aimantation résultante sont animés d'un mouvement de précession autour du vecteur efficace défini par
Ce mouvement de précession a lieu à la fréquence veff = y Beff . Le vecteur efficace Beff du champ efficace Beff est lui-même en rotation autour du vecteur statique BQ à la fréquence de Larmor v0 = y · B0 . Lorsque la fréquence de précession autour du champ efficace Beff est suffisamment grande (i.e. du même ordre que les fréquences utilisées dans les techniques MAS, supérieures à quelques hertz) un moyennage de l'interaction dipolaire et éventuellement quadrupolaire présente dans l'objet est obtenu.
La fréquence de rotation virtuelle veff responsable du moyennage des interactions dipolaires et quadrupolaires étant réglée simplement par l'intensité du champ radiofréquence BÏ appliqué ce n'est plus ni l'échantillon ni le champ statique B0 qui doivent être mis en rotation et inclinés à l'angle magique 0m mais seulement le champ efficace Beff, cette dernière opération étant effectuée en choisissant de manière adéquate la fréquence et l'amplitude du champ radiofréquence B^ Il est simple de donner à BÏ des amplitudes allant de quelques μΤ jusqu'au mT, ces amplitude engendrant une fréquence de rotation virtuelle veff allant de quelques Hz à plusieurs dizaines de kHz.
Ainsi, toutes les parties de l'appareil 1 restent fixes pendant son fonctionnement. Cela n'induit donc aucune usure mécanique de l'appareil 1 et limite énormément les risques de pannes ou de mauvaise manipulation.
Un premier capteur 15 peut être placé suivant le vecteur statique BQ et être réglé de manière à détecter des fréquences autour de la fréquence effective veff. La fréquence effective veff est due au champ magnétique efficace Beff vu par l'échantillon 2. Le champ magnétique efficace Beff résulte de la combinaison des champs magnétiques statique B0, et radiofréquence BÏ (sans prendre en compte l'environnement électronique de l'atome d'hydrogène), et a pour formule, la relation suivante :
(
B B< + \ B, 0
V La fréquence Vi est la fréquence d'application du champ B1 ; c'est une fréquence proche de la fréquence de Larmor du noyau étudié v0 = y · 0 .
La relation suivante donne la fréquence effective veff :
veff = y - Beff .
Ainsi, le premier capteur 15 permet d'acquérir des signaux ayant des fréquences proches de la fréquence efficace veff qui correspondent aux signaux résultant du mouvement de précession des moments magnétiques de spin S des atomes d'hydrogène de l'échantillon 2 autour du champ efficace Beff.
Deux deuxièmes capteurs 16 peuvent être placés dans un plan orthogonal au vecteur statique B0 et adaptés pour acquérir des signaux à la fréquence de Larmor v0.
Le ou les capteurs 15, 16 sont découplés du ou des générateurs 14 ; 141 , 142 de champ magnétique radiofréquence B^ Ce découplage peut être effectué géométriquement ou électroniquement. Un exemple est décrit ci -dessous.
L'utilisation des premiers et deuxièmes capteurs 15, 16 permet d'acquérir les variations de l'aimantation M suivant les trois dimensions de l'espace dans le repère du laboratoire.
De manière générale, la configuration des capteurs peut être choisie parmi les suivantes :
un seul capteur pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence de Larmor v0 ;
- deux capteurs orthogonaux pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence de Larmor v0 ;
deux capteurs, dont un pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence de Larmor v0 et un pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence efficace veff ;
- trois capteurs, dont deux pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence de Larmor v0 et un pour acquérir des signaux à une fréquence proche ou égale à la fréquence efficace veff.
Procédé
En référence aux figures 5 et 6 est ci -après décrit un procédé de caractérisation d'un échantillon au moyen d'un appareil de spectrométrie RMN décrit ci -dessus.
Préalablement au procédé, un échantillon 2 est placé sur le support 12 de l'appareil 1 RMN à l'intérieur de l'enceinte 11.
Le procédé comprend une étape de génération E1 dans l'enceinte 11 de l'appareil 1 , par le générateur 13 de champ magnétique statique, d'un champ magnétique statique B0 de vecteur statique B0 colinéaire à un vecteur unitaire z .
Le procédé comprend également une étape E2 de génération dans l'enceinte 11 , par le générateur 14 de champ magnétique radiofréquence, d'un champ magnétique radiofréquence Βτ de vecteur radiofréquence β1 . Le champ magnétique radiofréquence ΒΪ est généré, pendant une durée déterminée T, sous forme d'une impulsion I.
L'amplitude ΒΪ du champ magnétique radiofréquence ΒΪ de fréquence V! est donnée par la relation :
0m étant l'angle magique.
Le champ magnétique radiofréquence Βτ est, pendant la durée déterminée T, modulé de manière à ce qu'un champ efficace Beff VU par les atomes de l'objet résulte des champs magnétiques statique B0 et radiofréquence B1 ; et de vecteur efficace Beff tournant par rapport à un référentiel terrestre, tel que : Le vecteur efficace Be{{ du champ efficace Beff est animé d'un mouvement de précession autour du vecteur statique B0 à la fréquence v0. Le champ radiofréquence BÏ a été choisi pour que le vecteur efficace Beff forme un angle magique de 0m de 54,74° avec le vecteur statique B0 .
Le champ magnétique radiofréquence BÏ peut ne comprendre qu'une seule composante modulée sinusoïdalement. Dans ce cas, seul le vecteur efficace Beff tourne par rapport à un référentiel terrestre.
Le champ magnétique radiofréquence Βτ peut également comprendre deux composantes modulées sinusoïdalement et en quadrature de phase.
Dans ce deuxième cas, les vecteurs radiofréquence B^ et efficace Beff tournent par rapport à un référentiel terrestre.
L'application du champ efficace Beff, formant l'angle magique 0m avec le champ statique B0, permet de s'affranchir de la nécessité de mettre en rotation physique l'échantillon 2 ou le générateur 13 de champ magnétique statique. Ainsi, il est possible d'étudier des échantillons quel que soit leur état (notamment solide, mais aussi liquide, gazeux, voire un mélange de ceux-ci), voire étudier les tissus d'un animal ou d'un être humain vivant.
De plus, la fréquence de rotation de l'aimantation M (due au champ efficace Beff tournant et proportionnelle à la fréquence effective veff) peut être portée à une valeur élevée, pouvant dépasser le mégahertz, par rapport à la technique antérieure qui se limite à quelques dizaines de kilohertz.
L'expérimentateur choisit la vitesse de rotation virtuelle, proportionnelle à la fréquence efficace veff, qu'il veut imposer à l'échantillon. Une fois cette vitesse de rotation effective choisie (entre quelques hertz et le mégahertz), l'amplitude du champ radiofréquence Βτ ainsi que sa fréquence VÏ sont trouvées en résolvant le système d'équation :
avec B0, Beff et y connus.
Le procédé comprend encore une étape d'acquisition E3, par au moins un capteur 15, 16, d'une aimantation M de l'échantillon 2. Cette étape d'acquisition E3 est réalisée pendant la durée déterminée T et dure une durée d'acquisition Ta comprise dans la durée déterminée T (voir figure 6) .
Par exemple, deux antennes (ou bobines) découplés sont utilisées : une première antenne 14 est une bobine volumétrique linéaire (par exemple un modèle Rapidbiomedical V-HLS-047) pour l'émission du champ magnétique radiofréquence et une deuxième 15 est une antenne de surface type « papillon » pour la réception.
Le découplage des deux bobines 14, 15 est réalisé suivant deux étapes. Tout d'abord, une rotation d'angle aoptimai est appliquée au plan de l'antenne papillon afin de rendre l'antenne papillon aussi parallèle possible au vecteur radiofréquence β1 généré par l'antenne d'émission 14. Ceci minimise le flux du champ magnétique radiofréquence BÏ à travers les deux boucles de l'antenne papillon à un flux résiduel. Puis, l'antenne papillon est déplacée en translation à l'intérieur de l'antenne d'émission 14. En tirant bénéfice du caractère non uniforme du champ magnétique radiofréquence B1 ; il est possible de trouver une position dans laquelle la différence de flux entre les deux boucles 151 , 152 de l'antenne papillon 15 puisse annuler le flux résiduel.
Par ailleurs, dans ce cas, l'échantillon 2 peut être positionné à l'intérieur d'une première boucle 151 de l'antenne papillon (voir la figure 7). Ainsi, le flux produit par la magnétisation de l'échantillon est maximal dans la première boucle 151 et quasi nul dans la deuxième boucle 152.
Ainsi, grâce à ce procédé, on peut s'affranchir de la nécessité d'effectuer des mesures point à point imposée dans la technique MEPS. L'étape d'acquisition E3 peut comprendre la sous-étape d'acquisition E31 de signaux magnétiques ayant une fréquence proche de la fréquence efficace veff. Ce signal basse-fréquence renseigne sur l'évolution au cours du temps des aimantations suivant l'axe du champ statique B0.
L'étape d'acquisition E3 peut également comprendre la sous-étape d'acquisition E32 de signaux magnétiques ayant une fréquence proche de la fréquence de Larmor v0. Cette étape permet de suivre l'évolution du signal au cours du temps dans le plan perpendiculaire au vecteur statique
Les signaux recueillis par les capteurs 15, 16 peuvent ensuite être filtrés E4 pour éliminer des signaux parasites provenant des générateurs 13, 14 ; 13, 141 , 142 de champs magnétiques.
Les signaux recueillis sont ensuite traités E5 pour reconstruire un signal tridimensionnel décrivant au cours du temps l'évolution de l'aimantation
M de l'échantillon 2. Le signal tridimensionnel peut être mis sous la forme d'un signal quaternionique c'est-à-dire sous la forme d'un signal dont chaque point est mis sous la forme a+ib+jc+kd avec a,b,c,d réels et i2=j2=k2=ijk=-1 . A chaque instant t de l'acquisition, le signal tridimensionnel peut être décrit en coordonnées sphériques par trois paramètres (p, θ, cp) correspondants à l'amplitude, la latitude et colatitude du signal. Enfin, une étape de démodulation E6 peut être effectuée sur le signal tridimensionnel pour le représenter dans le référentiel terrestre selon un repère fixe.
La figure 8 illustre un chronogramme montrant l'acquisition des signaux pendant l'émission du champ magnétique radiofréquence B^ Selon ce chronogramme particulier, l'acquisition est déclenchée avant que le champ magnétique radiofréquence Βτ ne soit appliqué et l'acquisition se termine après que le champ magnétique radiofréquence soit coupé.
La figure 8 montre également les deux signaux acquis. Le premier en haut correspond à la partie réelle de l'aimantation transverse alors que le deuxième, en bas, corresponde à la partie complexe de cette aimantation. Ces deux signaux oscillants et observables persistent pendant un temps de plus de 300 ms, ce qui est un temps relativement long dans le domaine de l'acquisition par RMN. Lorsque le champ magnétique radiofréquence est coupé, le signal observé disparaît en seulement une vingtaine de millisecondes.

Claims

Revendications
1 . Procédé de caractérisation d'un échantillon (2) au moyen d'un spectromètre de Résonance Magnétique Nucléaire comprenant une enceinte (1 1 ) dans laquelle est placé l'échantillon (2), un générateur (13) de champ magnétique statique (B0), un générateur (14) de champ magnétique radiofréquenceiB^, et au moins un capteur (15, 16), le procédé comprenant les étapes suivantes :
(a) génération (E1 ) dans l'enceinte (1 1 ), par le générateur (13) de champ magnétique statique, d'un champ magnétique statique (B0) suivant un vecteur statique ( B0 ) ;
(b) génération (E2) dans l'enceinte (1 1 ) et pendant une durée déterminée (T), par le générateur (14) de champ magnétique radiofréquence, d'un champ magnétique radiofréquence (B^ suivant un vecteur radiofréquence ( β1 ) ;
caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape (c) d'acquisition
(E3), par au moins un capteur (15, 16), d'une aimantation ( M ) de l'échantillon (2) pendant tout ou partie de la durée déterminée (T) ; et en ce qu'un vecteur efficace ( Beff ) , auquel l'aimantation ( M ) de l'échantillon (2) est soumise pendant la durée déterminée (T), est tournant par rapport à un référentiel terrestre pendant la durée déterminée (T), le vecteur efficace ( Beff ) résultant des champs magnétiques statique (B0) et radiofréquence (B^, et l'échantillon (2) étant fixe par rapport au référentiel terrestre.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel le champ magnétique radiofréquence (Bi ) est choisi de manière à ce que le champ efficace (Beff) appliqué à l'échantillon aie son vecteur efficace ( Beff ) , donné par Beff = et définissant un angle (0m)
d'approximativement 54,74° avec le vecteur statique ( B0 ),
VT étant une fréquence proche de la fréquence de Larmor v0 due au champ magnétique statique (B0), cette fréquence VT étant due au champ magnétique radiofréquence (B^ .
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le vecteur efficace ( Beff ) est tournant dans un plan orthogonal au vecteur statique ( B0 ) .
4. Procédé selon les revendications 2 et 3, dans lequel le vecteur efficace ( β., ) est tournant dans un plan orthogonal au vecteur statique (B0) à la fréquence de Larmor (v0) .
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'acquisition (E3) de l'aimantation ( M ) de l'échantillon (2) est effectuée par au moins deux capteurs (15, 16) ; un premier capteur (15) placé de manière à acquérir des signaux magnétiques colinéaires au vecteur statique ( B0 ), ayant une fréquence proche de la fréquence efficace (veff), et au moins un deuxième capteur (16) placé de manière à acquérir des signaux magnétiques colinéaires au plan orthogonal au vecteur statique ( BQ ), ayant une fréquence proche de la fréquence de Larmor (v0).
6. Appareil (1 ) de spectrométrie par Résonance Magnétique Nucléaire pour l'acquisition d'une aimantation ( M ) d'un échantillon (2) comprenant :
un support (12) d'échantillon fixe par rapport à un référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil (1 ) ; une enceinte (1 1 ) dans lequel est placé le support (12) d'échantillon ;
un générateur (13) de champ magnétique statique pour la génération d'un champ magnétique statique (B0) dans l'enceinte (1 1 ) suivant un vecteur statique ( B0 ) ; - un générateur (14) de champ magnétique radiofréquence pour la génération d'un champ magnétique radiofréquence (B^ dans l'enceinte suivant un vecteur radiofréquence
( B^ ) pendant une durée déterminée (T) ;
caractérisé en ce que l'appareil (1 ) comprend en outre au moins un capteur (15, 16) pour mesurer l'aimantation ( M ) de l'échantillon (2) pendant la durée déterminée (T).
7. Appareil (1 ) selon la revendication 6, dans lequel le générateur (14) de champ magnétique radiofréquence comprend au moins deux bobines (141 , 142) générant chacun un champ magnétique radiofréquence de manière à ce que le champ magnétique efficace (Beff) total résultant des deux champs magnétiques radiofréquences des bobines (141 , 142) et du champ magnétique statique (B0) ait un vecteur efficace ( Beff ) tournant par rapport au référentiel terrestre.
8. Appareil (1 ) selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel un premier capteur (15) est placé suivant le vecteur statique ( β0 ) et réglé de manière à acquérir des signaux à des fréquences proches d'une fréquence efficace (veff) résultant d'un champ magnétique efficace (Beff) appliqué à l'échantillon (2) tel que :
VT étant une fréquence proche de la fréquence de Larmor (v0) due au champ magnétique statique (B0), la fréquence étant due au champ magnétique radiofréquence (B^ ; et y étant le rapport gyromagnétique caractéristique d'un noyau d'un atome étudié.
9. Appareil (1 ) selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel deux deuxièmes capteurs (16) sont placés dans un plan orthogonal au vecteur statique ( B0 ) et adaptés pour acquérir un signal à une fréquence de
Larmor (v0) due au champ magnétique statique (B0) avec :
v0 = y · 0 ,
y étant le rapport gyromagnétique caractéristique d'un noyau d'un atome étudié.
10. Appareil (1 ) selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel le générateur (13) de champ magnétique statique, le générateur (14) de champ magnétique radiofréquence et le ou les capteurs (15, 16) sont fixes par rapport au référentiel terrestre lors du fonctionnement de l'appareil (1 ) .
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