FR2530816A1 - Radio-frequency antenna system for examining voluminous bodies by nuclear magnetic resonance and imaging apparatus using such a system. - Google Patents

Radio-frequency antenna system for examining voluminous bodies by nuclear magnetic resonance and imaging apparatus using such a system. Download PDF

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Abstract

The invention relates to an antenna system making it possible to confine a radio-frequency magnetic field inside a lenticular volume of revolution. It consists of several coaxial coils akin to radio-frequency current loops: a central coil 2 and at least one pair of lateral coils 3. The radio-frequency magnetic field produced by the coils 3 is 180 DEG out of phase with the field of the central coil 2 and has an amplitude such that the axial component of the field @1 resulting from their superposition decreases rapidly on moving away from the middle plane of the central coil 2. This confinement effect can be enhanced by appending one or more pairs of lateral coils, each 180 DEG out of phase with the preceding one. The antenna system placed in a homogeneous static magnetic field @0 produced by the electromagnet 1 generates a radio-frequency magnetic field @1, perpendicular to @0 which causes the nuclear magnetic resonance NMR of the nuclei located inside the central coil 2, in its middle plane. The antenna system according to the invention is thus, by virtue of its properties of selective irradiation, well suited to applications in NMR imaging.

Description

La présente invention concerne un nouveau système d'antennes radiofréquence tout particulièrement adapté à l'obtention, dans des meilleures conditions que précédemment, des images de l'intérieur d'échantillons biologiques : tissus ou organes in vitro jusqutau corps humain in vivo. The present invention relates to a new radiofrequency antenna system which is particularly suitable for obtaining, under better conditions than previously, images of the interior of biological samples: tissues or organs in vitro up to the human body in vivo.

Le principe de l'imagerie par résonance magnétique nucléaire ou tomographie par RMN est basé sur leexcitation des noyaux particuliers d'un objet en présence de gradients de champ magnétique superposés à un champ statique homogène Bo. L'énergie d'excitation est fournie par un champ magnétique radiofréquenge t1, perpendiculaire à BoS émis par l'antenne radiofréquence dite aussi bobine de RMNo Les gradients de champ ont pour but de coder l'échantillon en attribuant une fréquence de résonance propre à chaque endroit de l'espace de mesure.  The principle of nuclear magnetic resonance imaging or NMR tomography is based on the excitation of the particular nuclei of an object in the presence of magnetic field gradients superimposed on a homogeneous static field Bo. The excitation energy is supplied by a radiofrequency magnetic field t1, perpendicular to BoS emitted by the radiofrequency antenna also called RMNo coil. The purpose of the field gradients is to code the sample by assigning a specific resonance frequency to each location of the measurement space.

les images obtenues illustrent la distribution bidimensionnelle, dans la tranche choisie, des parametres physiques caractérisant les noyaux de l'espèce considérée (le plus souvent l'hydrogene). Ainsi la densité p des noyaux, leurs temps de relaxation spinwréseau T1 et spinspin T2 fournissent non seulement des informations anatomiques très com- parables à celles que donne la tomographie par rayons X, mais aussi permettent de distinguer avec une plus grande sensibilité les tissus sains des tissus malades. the images obtained illustrate the two-dimensional distribution, in the chosen slice, of the physical parameters characterizing the nuclei of the species considered (most often hydrogen). Thus, the density p of the nuclei, their spin-network T1 and spinspin T2 relaxation times not only provide anatomical information very comparable to that given by X-ray tomography, but also make it possible to distinguish with greater sensitivity the healthy tissues from diseased tissue.

Les méthodes de la tomographie par RMN sont maintenant très connues: elles sont par exemple décrites par J. CRAMBRON et Col1. dans le Journal de Biophysique et de Médecine Nucléaire (1981), 5, 2 : 89-106
Dans tout l'art antérieur, en mesure directe par balayage ponctuel ou linéaire, ou en mesure intégrale par projections (analogue a la tomographie x), la définition de la tranche de coupe se fait en agissant sur les composantes variables du champ Bo - les gradients de champ. A la modulation sinusoidale des gradients de champ et/ou leurs commutations rapides est, dans quelques cas, associée la modulation adéquate du champ magnétique radiofréquence B1.NMR tomography methods are now very well known: they are for example described by J. CRAMBRON and Col1. in the Journal of Biophysics and Nuclear Medicine (1981), 5, 2: 89-106
In all the prior art, in direct measurement by punctual or linear scanning, or in integral measurement by projections (analogous to x-tomography), the definition of the cutting edge is done by acting on the variable components of the field Bo - the field gradients. In some cases, the sinusoidal modulation of field gradients and / or their rapid switching is associated with the adequate modulation of the radiofrequency magnetic field B1.

La solution du problème posé par la réalisation des gradients de champ alternatifs et/ou rapidement commutables, est extremement difficile, coûteuse et valable seulement pour les configurations utilisant des aimants sans circuit magnétique.  The solution of the problem posed by the realization of alternating and / or rapidly switchable field gradients is extremely difficult, costly and valid only for configurations using magnets without a magnetic circuit.

La présente invention réalise la définition de la tranche de coupe en confinant le champ magnétique radiofréquence B1 à l'intérieur de celleci. Ainsi le problème des gradients de champ est évité et l'utilisation des aimants à circuit magnétique devient possible. The present invention achieves the definition of the cutting edge by confining the radiofrequency magnetic field B1 inside of it. Thus the problem of field gradients is avoided and the use of magnets with a magnetic circuit becomes possible.

L'utilisation des aimants à circuit magnétique dans des petits systèmes d'imagerie permet d'atteindre des hautes intensités, à un prix modéré, pour le champ statique Bo et d'étudier dans des meilleures conditions de sensibilité d'autres noyaux moins abondants que l'hydrogene phosphore, carbone, sodium. The use of magnets with magnetic circuits in small imaging systems makes it possible to reach high intensities, at a moderate price, for the static field Bo and to study under better conditions of sensitivity other nuclei less abundant than hydrogen phosphorus, carbon, sodium.

Selon l'invention, un système imagerie par résonance magnétique nucléaire comportant un premier ensemble de bobines dit électro-aimant, produisant un champ magnétique statique Bo homogène dans lequel est placé le corps étudié, et un deuxième ensemble de bobines (antennes) dites de RMN fournissant un champ magnétique radiofréquence B1 perpendiculaire au champ Bos est caractérisé en ce que
- le premier ensemble comporte deux groupes de bobines, avec ou sans circuit magnétique, suffisement écartés pour permettre l'accès transversal du système d'antennes rauiofréquence qui entoure le corps,
- le deuxieuie ensemble de bobines constituant le système d'antennes radiofréquence comporte au moins trois bobines disposées autour de la partie du corps à examiner, la bobine centrale définissant la position du plan de coupe et les bobines adjacentes l'épaisseur de la tranche à visualiser.According to the invention, a nuclear magnetic resonance imaging system comprising a first set of coils called electromagnet, producing a homogeneous static magnetic field Bo in which the body studied is placed, and a second set of coils (antennas) called NMR providing a radiofrequency magnetic field B1 perpendicular to the field Bos is characterized in that
- the first set comprises two groups of coils, with or without magnetic circuit, sufficiently spaced apart to allow transverse access to the radio frequency antenna system which surrounds the body,
- the second set of coils constituting the radiofrequency antenna system comprises at least three coils arranged around the part of the body to be examined, the central coil defining the position of the cutting plane and the adjacent coils the thickness of the slice to be viewed .

D'autres objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressor tiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif. Other objects, characteristics and results of the invention come from the following description given by way of nonlimiting example.

La figure I présente de façon simplifiée l'électro-aimant (1) et un système minimal d'antennes radiofréquence (2) et (3) en coupe axiale longitudinale. L'électro-aimant (1) est symboliquement représenté comme étant de type résistif et formé par une paire de bobines solenoidales il produit le champ Bo schématisé par la flèche (6) le long de l'axe (4). Figure I shows in a simplified way the electromagnet (1) and a minimal system of radiofrequency antennas (2) and (3) in longitudinal axial section. The electromagnet (1) is symbolically represented as being of the resistive type and formed by a pair of solenoid coils it produces the field Bo shown diagrammatically by the arrow (6) along the axis (4).

Pour obtenir un champ magnétique Bo homogène sur un plus grand volume plusieurs paires de bobines doivent être utilisées ; pour des champs Bo plus intenses mais sur des petits volumes, les bobines peuvent etre placées-sur un circuit magnétique dont l'entrefer permet l'accès à l'espace de mesure.To obtain a homogeneous magnetic field Bo over a larger volume, several pairs of coils must be used; for more intense Bo fields but on small volumes, the coils can be placed on a magnetic circuit whose air gap allows access to the measurement space.

Les trois bobines de RNN (2) et (3) figurent en tant que spires uniques de rayon a. La bobine de RMS centrale (2) définit le plan de coupe perpendiculaire sur l'axe (5) du système d'antennes radiofréquence. Les bobines de RNN latérales (3), identiques, sont alimentées de façon à ce que le champ radiofréquence produit soit en opposition de phase avec celui produit par la bobine (2).  The three coils of RNN (2) and (3) appear as single turns of radius a. The central RMS coil (2) defines the perpendicular cutting plane on the axis (5) of the radiofrequency antenna system. The identical RNN side coils (3) are supplied in such a way that the radiofrequency field produced is in phase opposition with that produced by the coil (2).

La superposition des champs radiofréquence produits par le système d'antennes (2) et (3) a pour résultat le champ Bl confiné au voisinage du plan due coupe, à l'intérieur de la bobinede RMN centrale (2). Ainsi l'amplitude du champ magnétique radiofréquence Bi prend la valeur désirée à l'intérieur d'un volume lenticulaire de révolution dont la dimension axiale est contrôlée par la distance xl entre les bobines (2) et (3) et le rapport des courants d'excitation des mêmes bobines (le nombre d'ampères - spires si les bobines ne sont pas des spires uniques). Pour un rapport donné des courants d'excitation des bobines (2) et (3) il existe une valeur optimale pour x1 assurant la décroissance la plus rapide de l'amplitude du champ B1 hors de la tranche de coupe. The superimposition of the radiofrequency fields produced by the antenna system (2) and (3) results in the field Bl confined in the vicinity of the cutting plane, inside the central NMR coil (2). Thus the amplitude of the radiofrequency magnetic field Bi takes the desired value within a lenticular volume of revolution whose axial dimension is controlled by the distance xl between the coils (2) and (3) and the ratio of the currents d 'excitation of the same coils (the number of amps - turns if the coils are not single turns). For a given ratio of the excitation currents of the coils (2) and (3) there is an optimal value for x1 ensuring the fastest decrease in the amplitude of the field B1 outside the cutting edge.

On peut montrer que tant que les dimensions caractéristiques du système d'antennes radiofréquence restent négligeabiespar rapport à la longueur d'onde émise, la variation de l'amplitude du champ magnétique radiofréquence Bi suivant l'axe x (5) est de la forme

Figure img00030001

où Blo est l'amplitude du champ magnétique radiofréquence produit par la bobine (2) dans son centre et k le rapport des amplitudes du courant dans la spire latérale au courant dans la spire centrale. La figure 2 illustre la composition (A) des champs produit par la bobine centrale (B) et les bobines latérales (C) dans l'axe du système d'antennes radiofréquence.It can be shown that as long as the characteristic dimensions of the radiofrequency antenna system remain neglected in relation to the wavelength emitted, the variation of the amplitude of the radiofrequency magnetic field Bi along the x (5) axis is of the form
Figure img00030001

where Blo is the amplitude of the radiofrequency magnetic field produced by the coil (2) in its center and k the ratio of the amplitudes of the current in the lateral turn to the current in the central turn. FIG. 2 illustrates the composition (A) of the fields produced by the central coil (B) and the side coils (C) in the axis of the radiofrequency antenna system.

La courbe (D) est une courbe de référence : elle montre la variation de l'amplitude du champ magnétique radiofréquence suivant l'axe x produit par une unique spire centrale ayant le même champ au centre du système que l'ensemble des bobines de RiN (2) et (3). On voit bien l'ef- fet de confinement du champ magnétique radiofréquence grâce au systeme d'antennes par rapport; à la spire unique mais aussi la nécessité de dépenser plus de puissance pour atteindre ce but. Curve (D) is a reference curve: it shows the variation of the amplitude of the radiofrequency magnetic field along the x axis produced by a single central turn having the same field at the center of the system as the set of coils of RiN (2) and (3). We can clearly see the confining effect of the radiofrequency magnetic field thanks to the relative antenna system; to the single turn but also the need to expend more power to achieve this goal.

On peut aussi démontrer théoriquement etvérifier expérimentalement que l'effet de confinement Vers le plan de coupe du champ magnétique radiofréquence B1 n'a pas lieu seulement sur l'axe x (5) mais dans tout le volume intérieur du système d'antennes. We can also theoretically demonstrate and verify experimentally that the confinement effect Towards the section plane of the radiofrequency magnetic field B1 does not take place only on the x (5) axis but in the entire interior volume of the antenna system.

Au prix d'une dépense supplémentaire de puissance radiofréquence, l'effet de confinement peut être augmenté au moins dans le volume contenant le corps étudié, par l'adjonction de paires de bobines latérales et en diminuant la distance xi entre les bobines. I1 est possible d'améliorer aussi la distribution radiale du champ radiofréquence B1 dans le plan de la coupe en scindant la bobine de RMN centrale en deux spires écartées de xO de part et d'autre de ce plan.L'expression du champ B1 pour N paires de spires, de rayon an et encadrant à + xn le plan de coupe, prend la forme générale suivante

Figure img00040001

ou
Figure img00040002
At the cost of an additional expense of radio frequency power, the confinement effect can be increased at least in the volume containing the body studied, by adding pairs of lateral coils and by reducing the distance xi between the coils. It is also possible to improve the radial distribution of the radiofrequency field B1 in the plane of the section by dividing the central NMR coil into two turns spaced apart from xO on either side of this plane. The expression of the field B1 for N pairs of turns, of radius an and framing at + xn the cutting plane, takes the following general form
Figure img00040001

or
Figure img00040002

Le coefficient (- l)n est essentiel pour caractériser la présente invention ; il indique que les champs magnétiques radiofréquence générés par deux bobines quelconques adjacentes situées d'un même côté du plan de coupe sont en opposition de phase.The coefficient (- l) n is essential to characterize the present invention; it indicates that the radiofrequency magnetic fields generated by any two adjacent coils situated on the same side of the cutting plane are in phase opposition.

Pour N = 2, xO = o, aO = al 5 a et ko - I on retrouve la meme confi- guration du système minimal décrit précédemment et représentée dans la figure l.  For N = 2, xO = o, aO = al 5 a and ko - I we find the same configuration of the minimal system described previously and represented in figure l.

Le système général est raisonnablement simplifié en prenant a0 = a1 = .... = aN-l = a et Xn = nxl. Dans ce cas la détermination des coefficients k11 se fait en essayant d'approcher, au sens des moindres carrés, le profil de la tranche de coupe idéale - un créneau de largeurbce qui mène à la résolution du système d'équations

Figure img00040003
The general system is reasonably simplified by taking a0 = a1 = .... = aN-l = a and Xn = nxl. In this case the determination of the coefficients k11 is done by trying to approach, in the least squares sense, the profile of the ideal cutting edge - a niche of widthbce which leads to the resolution of the system of equations
Figure img00040003

Une fois les coefficients kn calculés en fonction de a, b, x1 ,N, on dispose de tous les éléments caractérisant la géométrie et le fonctionnement du système d'antennes.En fonction des dimensions caractéristiques du système d'antennes -gabarits et longueur totale des bobinages - et des possibilités d'alimentation - par un ou plusieurs amplificateurs radiofréquence - deux modes de réalisations sont possibles. Once the coefficients kn calculated according to a, b, x1, N, we have all the elements characterizing the geometry and the functioning of the antenna system. Depending on the dimensions characteristic of the antenna system - templates and total length windings - and supply possibilities - by one or more radio frequency amplifiers - two embodiments are possible.

Dans le premier, lorsqu'on étudie des petits échantillons, les antennes élémentaires peuvent etre des bobines multispires. Tant que la lon gueur totale des bobinages reste négligeable devant la longueur d'onde émise, chaque bobine élémentaire peut être assimilée à une spire unique en ce qui concerne le champ radiofréquence généré. Elles sont reliées en série et alimentées par un seul générateur - amplificateur radiofréquence. Ainsi les coefficients kn physiquement réalisés sont des nombres rationnels : les rapports es nombres de spires des bobines concernées. In the first, when studying small samples, the elementary antennas can be multispire coils. As long as the total length of the coils remains negligible compared to the wavelength emitted, each elementary coil can be assimilated to a single turn as regards the radiofrequency field generated. They are connected in series and supplied by a single generator - radio frequency amplifier. Thus the coefficients kn physically produced are rational numbers: the ratios are the numbers of turns of the coils concerned.

Un reajustement de m1- par rapport à son choix initial est réalisé suivant la meme méthode des moindres carrés. L'élément caractéristique du système d'antennes - le déphasage de 1300 des champs radiofréquence générés par deux bobines adjacentes est réalisé par inversion du sens des bobinages d'une antenne élémentaire à l'autre - (figure 3).A readjustment of m1- with respect to its initial choice is carried out according to the same method of least squares. The characteristic element of the antenna system - the phase shift of 1300 of the radio frequency fields generated by two adjacent coils is achieved by reversing the direction of the coils from one elementary antenna to the other - (Figure 3).

Le deuxième mode de réalisation est à envisager surtout pour les systèmes d'imagerie par RMS destinés à l'étude des grands échantillons (corps humain). Dans ce cas chaque antenne élémentaire est une spire unique. Vue la symétrie du système-d'antennes par rapport au plan de coupe, les spires équidistantes du plan de coupe sont reliées en parallèles. Chaque paire de spires est alimentée par un amplificateur radiofréquence de gain réglable. Tous les amplificateurs sont attaqués par un générateur radiofréquence possédant plusieurs sorties déphasées convenablement. The second embodiment should be considered especially for RMS imaging systems intended for the study of large samples (human body). In this case, each elementary antenna is a single turn. In view of the symmetry of the antenna system with respect to the cutting plane, the equidistant turns of the cutting plane are connected in parallel. Each pair of turns is powered by an adjustable gain radio frequency amplifier. All amplifiers are driven by a radio frequency generator having several suitably phase-shifted outputs.

A défaut d'un système indépendant d'antennes radiofréquence pour la réception des signauxde RNN on peut utiliser à cet effet le système d'antennes radiofréquence démission ou au moins son élément central. In the absence of an independent system of radiofrequency antennas for the reception of RNN signals, the radiofrequency antenna antenna system or at least its central element can be used for this purpose.

la présente invention trouve son~application principale dans le domaine de l'imageriepar ZZ. Grâce- ses propriétés d'irradiation sélective, une nouvelle méthode de définition de la tranche à visualiser est possible. On évite ainsi les difficultés posées par la réalisation des systèmes de gradients alternatifs etXou rapidement commutables tout en bénéficiant des avantages des bobines solénoidales comparées aux bobines en selle de cheval : meilleure homogénéité, rendement, efficacité de détection et rapport signal à bruit. the present invention finds its ~ main application in the field of imaging by ZZ. Thanks to its selective irradiation properties, a new method of defining the slice to be visualized is possible. This avoids the difficulties posed by the realization of quickly and alternately switchable and / or alternating gradient systems while benefiting from the advantages of solenoidal coils compared to coils in horse saddle: better homogeneity, efficiency, detection efficiency and signal to noise ratio.

D'autres applications sont possibles dans le domaine biologique ou industriel général, par exemple contrôle non destructif de spécimens organiques, marquage magnétique sans perturbation des fluides dans des mesures de débits ou de vitesses.  Other applications are possible in the general biological or industrial field, for example non-destructive testing of organic specimens, magnetic marking without disturbance of the fluids in flow or speed measurements.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1. Système de bobines électromagnétiques pour l'étude des corps ou échantillons biologiques au moyen de la résonance magnétique nucléaire (RMN) comportant un premier ensemble de bobines (1) dit électro-aimant générant un champ magnétique homogène Bo (6) dans lequel est pl2cé le corps à étudier et un deuxième ensemble de bobines coaxiales (2) et (3) entourant la partie du corps à examiner et formant le système d'antennes qui génère le champ magnétique radiofréquence BA perpendiculaire à Bo caractérisé en ce que 1. Electromagnetic coil system for the study of bodies or biological samples by means of nuclear magnetic resonance (NMR) comprising a first set of coils (1) said electromagnet generating a homogeneous magnetic field Bo (6) in which is pl2cé the body to be studied and a second set of coaxial coils (2) and (3) surrounding the part of the body to be examined and forming the antenna system which generates the radiofrequency magnetic field BA perpendicular to Bo characterized in that - le premier ensemble de bobines (1) formant un électro-aimant sans circuit magnétique permet l'introduction transversale du corps à étudier dans l'espace de mesure, c' est-à-dire perpendiculairement au champ Bo de l'électro-aimant, - the first set of coils (1) forming an electromagnet without magnetic circuit allows the transverse introduction of the body to be studied into the measurement space, that is to say perpendicular to the field Bo of the electromagnet , - le deuxième ensemble de bobines comporte une bobine solénoldale centrale (2) et au moins une paire de bobines solénoldales laterales (3); chaque paire de bobines latérales est formée par deux bobines identiques encadrant symétriquement la bobine centrale et génère un champ magnétique radiofréquence en opposition de phase avec celui généré par les paires adjacentes ; les amplitudes des champs magnétiques radiofréquence générés par la bobine centrale (2) et les bobines latérales (3) sont telles que leur superposition, compte tenu de leur déphasage, a pour résultat le champ B1 confiné vers le plan median à l'intérieur de la bobine centrale (2) dans un volume lenticulaire de résolution. - The second set of coils comprises a central solenoidal coil (2) and at least one pair of lateral solenoidal coils (3); each pair of side coils is formed by two identical coils symmetrically framing the central coil and generates a radiofrequency magnetic field in phase opposition with that generated by the adjacent pairs; the amplitudes of the radiofrequency magnetic fields generated by the central coil (2) and the lateral coils (3) are such that their superimposition, taking into account their phase shift, results in the B1 field confined towards the median plane inside the central coil (2) in a resolution lenticular volume. 2. Système de bobines selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier ensemble de bobines comporte un circuit magnétique dont l'entrefer sauvegarde les mêmes caractéristiques d'accessibilité. 2. Coil system according to the preceding claim characterized in that the first set of coils comprises a magnetic circuit whose air gap saves the same accessibility characteristics. 3. Système de bobines selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que chacune des bobines formant le système d'antennes radiofréquence, comporte une seule spire circulaire. 3. Coil system according to one of the preceding claims, characterized in that each of the coils forming the radiofrequency antenna system comprises a single circular turn. 4. Système de bobines selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la bobine centrale du système d'antennes radiofrequence est scindée en deux bobines identiques légèrement décalées de part et d'autre du plan médian du système d'antennes de façon à améliorer l'homogénéité de la distribution radiale du champ magnétique radiofréquence 13% tout en conservant sa distribution longitudinale (l'effet de confinement). 4. Coil system according to one of the preceding claims, characterized in that the central coil of the radiofrequency antenna system is split into two identical coils slightly offset on either side of the median plane of the antenna system so as to improve the homogeneity of the radial distribution of the radiofrequency magnetic field 13% while retaining its longitudinal distribution (the confinement effect). 5. Système de bobines selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le deuxième ensemble de bobines constitue un unique système d'antennes pour l'émission et la réception radiofréquence. 5. Coil system according to one of the preceding claims, characterized in that the second set of coils constitutes a single antenna system for radiofrequency transmission and reception. 6. Système de bobines selon la revendication 5 caractérise en ce que seulement la bobine centrale-du système unique d'antennes radiofréquence est utilisé pour la réception des signaux de RNN.  6. Coil system according to claim 5 characterized in that only the central coil of the single system of radio frequency antennas is used for the reception of RNN signals. 7. Appareil d'imagerie par RMN caractérisé ence qu'il utilise pour étudier des parties d'un corps humain ou des échantillons biologiques, un système de bobines selon l'une des revendications précédentes.  7. NMR imaging device characterized that it uses to study parts of a human body or biological samples, a coil system according to one of the preceding claims.
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