FR2562250A1 - Dispositif a resonance magnetique nucleaire comportant une bobine rf semi-toroidale et destine a la rmn topique et a l'imagerie par rmn - Google Patents
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Abstract
LE DISPOSITIF A RMN PERFECTIONNE DE L'INVENTION COMPREND UNE BOBINE DE RADIOFREQUENCE RF SEMI-TOROIDALE 10 QUI PRODUIT UN CHAMP MAGNETIQUE ALTERNATIF EFFICACE A CERTAINE DISTANCE DES POLES DE LA BOBINE PERMETTANT DE PRENDRE DES MESURES DE RMN A PARTIR DE REGIONS SELECTIONNEES A L'INTERIEUR D'UN SUJET VIVANT TEL QU'UN SUJET HUMAIN. LA BOBINE EST RELATIVEMENT INSENSIBLE A UNE INTERFERENCE MAGNETIQUE DUE A DES OBJETS METALLIQUES SE TROUVANT DERRIERE LA BOBINE ET PEUT ETRE UTILISEE A LA FOIS DANS DES AIMANTS DE RMN CLASSIQUES ET SUPRACONDUCTEURS. LA BOBINE PEUT ETRE CONSTRUITE POUR EMETTRE UN FAIBLE OU PAS DE CHAMP ELECTRIQUE EN RF EXCESSIF ASSOCIE AU CHAMP MAGNETIQUE EN RF POUR EVITER TOUTE INTERACTION DU CHAMP ELECTRIQUE PARASITE AVEC L'ECHANTILLON. APPLICATION A LA SPECTROSCOPIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE TOPIQUE RMT.
Description
DISPOSITIF A RESONANCE }AGNETIQUE NUCLEAIRE COMPORTANT
UNE BOBINE RF SEMI-TOHO!DALE ET DESTINE A LA RMN TOPIQUE
ET A L'IMAGERIE PAR RMN.
UNE BOBINE RF SEMI-TOHO!DALE ET DESTINE A LA RMN TOPIQUE
ET A L'IMAGERIE PAR RMN.
L'invention concerne de façon générale les applications analytiques et de diagnostic de la résonance magnétique nucléaire (RMN). Plus spécifiquement, l'inven tion concerne la spectroscopie par résonance magnétique topique RMT, l'imagerie par RMN, et les autres applications de la RMN. L'invention est le résultat d'un contrat avec le Département de l'Energie des E.U.A. (nO de contrat W- 7405-ENG-36).
La spectroscopie par résonance magnétique topique (RMT) et l'imagerie par RMN sont des variantes de la spectroscopie par RMN dans laquelle on obtint un signal de
RMN à partir d'un matériau placé à l'intérieur d'un objet.
RMN à partir d'un matériau placé à l'intérieur d'un objet.
Récemment, la mise au point de la spectroscopie par RMT et de l'imagerie par RMN étroitement liée ont augmenté de façon importante les applications de la RMN dans les domaines de la biologie et de la médecine. Spécifiquement, la RMT s'est révelée utile comme procédé non envahissant pour obtenir des informations biochimiques et physiologi ques sur des régions localisées à l'intérieur d9animaux vivants, incluant en particulier les sujets humains. Dans des démonstrations effectives du procédé, on a identifié des métabolites spécifiques, et à partir de ces informations on a diagnostiqué des maladies et des désordres me'- taboliques.
On a également utilisé la spectroscopie par RMN dans un mode d'analyse tridimensionnel pour obtenir une imagerie par RMN. Cette imagerie s'est révélée comparable à l'imagerie obtenue par tomographie aux rayons X assistée par ordinateur (CT) en ce qui concerne la qualité de la résolution d 5image qu'on peut obtenir. Cependant, contrairement à l'imagerie par CT, l'imagerie par RMN peut distinguer des régions ayant la même densité de noyaux sondés mais situées dans des milieux moléculaires locaux différents.L'avantage principal des deux imageries par RMN et par CT est quton peut étudier les tissus internes d'un animal vivant sans avoir recours à la chirurgie ou sans perturber autrement le métabolisme de l'animal.L'imagerie par RMN offre un avantage supplémentaire par rapport aux techniques d'imagerie par CT en ce qu'on n'utilise pas de rayonnement ionisant aux rayons X.
Dans tous les instruments à RMStp l'échantillon ou l'article à analyser est placé dans le champ magnétique statique d'un gros aimant. Une bobine de radiofréquence (RF) irradie l'échantillon avec un champ magnétique alternatif, qui est absorbé à certaines fréquences de résonance caractéristiques de la structure et de la composition chimiques de l'échantillon. L'énergie absorbée est à nouveau irradiée par l-'échantillon et détectée avec une bobine réceptrice appropriée. Dans les instruments les plus modernes, ce signal est détecté par la bobine d'irradiation en RF qui sert dans ces instruments à la fois d'émetteur et de récepteur dans un mode en duplex.
Dans des instruments à RMN typiques, la bobine RF est une bobine solénoidale cylindrique qui entoure un petit échantillon. Cependant, dans les applications de RMT, l'objet à analyser est généralement gros et la bobine RF doit nécessairement etre placée à l'extérieur de l'objet.
En conséquence, on a prévu des bobines RF de détection à distance qui peuvent etre placées contre la surface exté- rieure d'un objet-échantillon et qui projettent de façon sélective un champ magnétique alternatif à 1 'intérieur de l'objet, et qui peuvent en outre fonctionner pour détecter le signal RF induit, l'ensemble se trouvant à l'inté riéur des limites spatiales imposées par la forme de l'e- lectro-aimant extérieur. Des études de détection à distance faites à ce jour ont conduit à utiliser ce qu'on connatt comme bobine de surface, ou bobine en galette, qui est une bobine plane à plusieurs tours placée à plat contre la surface d'un objet.
Plusieurs inconvénients sont associés à cette bobine plane de surface. D'abord, la bobine de surface engendre un champ électrique en RF important indésirable en plus du champ magnétique en RF.Ce champ électrique est indésirable car il induit un échauffement diélectrique ainsi qu'ohmique de l'échantillon qui peut etre évité, particulièrement dans les sujets humains et dans les autres sujets vivants. En outre, un grand champ électrique
RF peut présenter un risque de secousse électrique.
RF peut présenter un risque de secousse électrique.
lie plus, la bobine de surface n'est pas treks efficace pour produire un champ magnétique en RF pénétrant profondément car le champ RF est formé de sorte que son intensité diminue rapidement avec la distance de la bobine, et il en résulte des signaux proportionnellement plus intenses provenant de régions proches de la bobine et des signaux moins intenses provenant de régions plus profondes dans l'échantillon.Un autre inconvénient est que le champ RF crée par une bobine plane de surface est projeté dans deux directions à partir du plan de la bobine, de sorte que l'intensité et la forme du champ projeté dans l'échantillon subissent l'influence de tous les composants métalliques placés derrière la bobine de surface, tels que les pièces polaires d'aimant, les tdewars" d'aimant dans un aimant supraconducteur refroidié à l'hélium liquide, ou autres composants du spectromètre à RMN. Des objets métalliques avoisinants peuvent également provo-- quer du bruit dans le signal reçu par la bobine RF.
Un but de la présente invention est de fournir un dispositif à RMN perfectionné,destiné à la spectroscopie par résonance magnétique topique et à l'imagerie par RMNs dis lequel le perfectionnement est constitué par une bobine RF qui est capable de projeter un champ magnétique alternatif dans un article à partir d'un emplacement e- térieur à l'article.
Un autre but de l'invention est de fournir une bobine RF qui produise un champ électrique en RF minimal, en réduisant ainsi au minimum les effets d'échauffement diélectrique néfastes sur l'objet échantillon,
Un autre but de la présente invention est de fournir, en vue d'une utilisation dans un spectromètre à RMN, une bobine RF perfectionnée qui projette un champ magnétique en RF à une certaine distance de la bobine, l'intensité et la forme de ce champ étant grandement exemptes d'effets néfastes de composants métalliques avoisinants.
Un autre but de la présente invention est de fournir, en vue d'une utilisation dans un spectromètre à RMN, une bobine RF perfectionnée qui projette un champ magnétique en RF à une certaine distance de la bobine, l'intensité et la forme de ce champ étant grandement exemptes d'effets néfastes de composants métalliques avoisinants.
D'autres buts, avantages et caractéristiques nouvelles de l'invention seront exposés en partie dans la description qui suit, et en partie ils dewendront évidents pour l'homme de l'art par l'examen de ce qui suit ou par la mise en pratique de l'invention. Les buts et avantages de l'invention peuvent être réalisés et atteints par les moyens et leurs-combinaisons particulièrement mis en évidence dans les revendications annexéés.
Pour atteindre les buts précédents et d'autres de la présente invention telle qu'elle est réalisée et largement décrite dans la suite, selon la présente invention, on dispose d'un dispositif à R > iN perfectionné -dont le perfectionnement est constitué par une bobine RF ayant une forme qui est topo logiquement équivalente à celle d'une bobine toroidale tronquée, ou semi-toroidale, et comportant des extrémités ouvertes à partir desquelles un champ magnétique alternatif peut être projeté. Dans une application, les extrémités tronquées de la bobine semi-toroidale sont placées au voisinage de ou de manière à affleurer la surface d'un objet à étudier. La bobine RF semi-toroidale produit un champ magnétique en RF qui est projeté à l'intérieur de l'objet jusqu'à une profondeur qui est de l'ordre du diamètre de la bobine semi-toroidslX
La bobine RF semi-toroidale est relativement insensible à des objets métalliques placés derrière la bobine, puisque la composante du champ magnétique en RF située derrière le plan des extrémités de bobine ouvertes est contenue essentiellement dans les limites de la bobine semi-toroldale.où elle est efficacement protégée des effets de tous les objets métalliques avoisinants.
La bobine RF semi-toroidale est relativement insensible à des objets métalliques placés derrière la bobine, puisque la composante du champ magnétique en RF située derrière le plan des extrémités de bobine ouvertes est contenue essentiellement dans les limites de la bobine semi-toroldale.où elle est efficacement protégée des effets de tous les objets métalliques avoisinants.
La bobine RF semi-toroidale peut être rendue rela ti-e.ent insensible à des signaux de RMN provenant des régions de l'échantillon les plus proches de la bobine, c'est-à-dire, proches de la surface de l'objet, en orientant la bobine de sorte que l'axe du champ magnétique statique s'étende parallèlement à l'axe de symétrie de rotation double de la bobine.Puisque l'effet de résonance magnétique nucléaire est proportionnel à l'intensité de la composante du champ magnétique en RF s'étendant perpendiculairement à l'axe du champ magnétique statique, les signaux de RES produits dans l'objet-échantillon près des extrémités de la bobine semi-toroidale, où le champ magnétique en RF est à peu près parallèle au champ magnétique statique, sont attenués. La région efficace à partir de laquelle un signal de RMffJ est obtenu avec cette disposition est un volume centré autour de l'axe de symétrie double mentionné plus haut et s'étendant jusqu'à une certaine distance des extrémités ouvertes de la bobine.
Cette région efficace est définie d'une manière plus distinctive que la région efficace de génération de signaux pour les bobines planes de surface connues précédemment ou, aussi bien, pour la bobine semi-toroidale avec laquelle les champs magnétiques sont disposés de tout autre manière.
Conformément à un autre aspect de l'invention, une petite bobine de calage semi-toroidale peut être mise en place d'une manière concentrique à l'intérieur de la bobine RF semi-toroidale. La bobine de calage est bobinée dans le sens inverse de celui de la bobine RF (ou autrement, la bobine est bobinée dans le meme sens et le courant passe dans le sens inverse) de manière à produire un champ de calage magnétique en RF qui neutralise et annule partiellement le champ principal en RF à de courtes distances. A des distances plus grandes, le champ principal en RF ne subit relativement pas d'influence du champ provenant de la bobine de calage. Avec cette disposition, le volume efficace de génération de signaux à l'intérieur de l'échantillon est meme plus étroitement défini et il est situé à une certaine distance de la bobine.Le signal RF utile est donc concentré à une certaine distance des deux bobines emboftées de sorte qu'un signal de RMN peut être obtenu à partir d'une région isolée se trouvant à une certaine distance de la surface à l'intérieur d'un animal vivant.
Selon un autre aspect de l'invention, la bobine RF semi-toroldale lest utilisée comme bobine de découplage dans un spectromètre à RMN. Les bobines de découplage sont utilisées pour supprimer le spectre de RMN d'une classe de noyaux dans un échantillon de manière à simplifier et augmenter le spectre de RMN d'une autre classe de noyaux dans le même échantillon. On obtient ce résultat en irradiant l'échantillon à la fréquence de résonance des noyaux qui doivent être supprimés.Par exemple, le spectre de RMN du carbone 13 provenant d'un échantillon biologique peut etre simplifié et augmenté de manière importante en irradiant l'échantillon avec un champ magnétique alternatif à la fréquence de résonance de 1 'hydro- gène, ce qui supprime le spectre de RMN de l'hydrogène qui dissimulerait autrement le spectre du carbone 13 beaucoup plus faible.
Auparavant, les bobines de découplage connues souffraient de l'inconvénient d'une production de champs électriques en RF parasites importants, ce qui provoquait un échauffement diélectrique de l'échantillon. Une bobine RF semi-torodale, et en particulier une bobine RF semi-toroidale divisee, couplée à une plaque conductrice reliée à la masse, telle qu'on la décrira encore plus loin, peut etre utilisée comme bobine de découplage présentant un échauffement diélectrique réduit d'une manière importante.
D'autres caractéristiques et avantages de la pré sente invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels:
Figure 1 est une vue isométrique d'une bobine RF semi-toroidale construite selon la présente invention;
Figure 2 est une vue en plan de la bobine repré- sentée sur la Figure l, des lignes de champ représentant la forme du champ magnétique produit par la bobine;
Figure 3 est une vue schématique d'une bobine semi-toroidale telle que sur les Figures 1 et 2, orientée de sorte que son axe de symétrie double soit parallèle à un champ magnétique statique extérieur, et représentant des régions de différentes sensibilités;;
Figure 4 est une vue isométrique synoptique représentant comment on peut utiliser une bobine RF semi-toroidale telle que celle représentée sur les Figures 1 et 2 dans l'alésage d'un aimant supraconducteur solénoidal pour obtenir un signal de RMN à partir d'un tissu à l'intérieur du bras d'un sujet humain, une partie de l'électro-aimant étant retirée pour des rasons de représentation;
Figure 5 est une autre vue isométrique de la bobine RF semi-toroidale et de l'electro-aimant de RMN supraconducteur représentés sur la Figure 4;;
Figure 6 est une représentation synoptique de la façon dont une bobine RF semi-toroidale telle que celle représentée sur les Figures 1 et 2 pourrait'être utilisée dans un aimant de RMN supraconducteur meme plus gros pour obtenir des signaux de RMN de diagnostic à partir d'un tissu profond à l'intérieur d'un sujet humain, une partie de l'électro-aimant étant retirée pour des raisons de représentation;
Figure 7 est une représentation isométrique d'une bobine RF semi-toroidale , telle que celle représentée sur les Figures 1 et 2, placée entre les pièces polaires d'un électro-aimant de RMN à noyau de fer classique;;
Figure 8 est une vue latérale en élévation du système à RMN de la Figure 7, représentant comment on pourrait obtenir un signal de RELN à partir d'un tissu à l'intérieur d'une main de personne placée entre les pièces polaires de l'électro-aimant de RMN;
Figure 9 est une représentation isométrique d'un autre exemple de réalisation de la bobine RF semi-toroidale des Figures 1 et 2, dans lequel les extrémités ouvertes de la bobine semi-toroidale sont aplaties dans des directions radiales par rapport à la bobine;
Figure 10 est une vue isométrique d'un autre exemple de réalisation de la bobine RF semi-toroîdale représentée sur les Figures 1 et 2, dans lequel les extrémités ouvertes de la bobine semi-toroidale sont pincées dans des directions radiales par rapport à la périphérie de la bobine;;
Figure Il est une représentation isométrique d'un autre exemple de réalisation de la bobine RF semi-toroidale de la présente invention, dans lequel la forme semitoroidale est bobinée avec deux enroulements de bobine en parallèle, les sens des enroulements étant inverses l'un par rapport à l'autre, l'extrémité éloignée de chaque enroulement de bobine étant connectée à une plaque conductrice reliée à la masse et incluant des ouvertures centrées sur les faces de la bobine;
Figure 12 représente encore un autre exemple de réalisation de l'invention constitué de deux bobines semi-toroidales croisées du type représenté sur la Figure ll, chacun des quatre enroulements de bobine individuels étant connecté à une plaque commune reliée à la masse; ;
Figure 13 représente un autre exemple de réalisation de l'invention, qui utilise une petite bobine de calage bobinée en sens inverse et mise en place d'une manière concentrique à l'intérieur d'une bobine RF principale semi-toroidale;
Figure 14 est une représentation graphique de l'intensité totale de champ magnétique en fonction de la distance de la bobine RF semi-toroidale calée de la
Figure 13; et
Figure 15 représente l'utilisation d'une bobine semi-toroidale comme bobine de découplage dans un spectromètre à RMN supraconducteur par ailleurs classique.
Figure 1 est une vue isométrique d'une bobine RF semi-toroidale construite selon la présente invention;
Figure 2 est une vue en plan de la bobine repré- sentée sur la Figure l, des lignes de champ représentant la forme du champ magnétique produit par la bobine;
Figure 3 est une vue schématique d'une bobine semi-toroidale telle que sur les Figures 1 et 2, orientée de sorte que son axe de symétrie double soit parallèle à un champ magnétique statique extérieur, et représentant des régions de différentes sensibilités;;
Figure 4 est une vue isométrique synoptique représentant comment on peut utiliser une bobine RF semi-toroidale telle que celle représentée sur les Figures 1 et 2 dans l'alésage d'un aimant supraconducteur solénoidal pour obtenir un signal de RMN à partir d'un tissu à l'intérieur du bras d'un sujet humain, une partie de l'électro-aimant étant retirée pour des rasons de représentation;
Figure 5 est une autre vue isométrique de la bobine RF semi-toroidale et de l'electro-aimant de RMN supraconducteur représentés sur la Figure 4;;
Figure 6 est une représentation synoptique de la façon dont une bobine RF semi-toroidale telle que celle représentée sur les Figures 1 et 2 pourrait'être utilisée dans un aimant de RMN supraconducteur meme plus gros pour obtenir des signaux de RMN de diagnostic à partir d'un tissu profond à l'intérieur d'un sujet humain, une partie de l'électro-aimant étant retirée pour des raisons de représentation;
Figure 7 est une représentation isométrique d'une bobine RF semi-toroidale , telle que celle représentée sur les Figures 1 et 2, placée entre les pièces polaires d'un électro-aimant de RMN à noyau de fer classique;;
Figure 8 est une vue latérale en élévation du système à RMN de la Figure 7, représentant comment on pourrait obtenir un signal de RELN à partir d'un tissu à l'intérieur d'une main de personne placée entre les pièces polaires de l'électro-aimant de RMN;
Figure 9 est une représentation isométrique d'un autre exemple de réalisation de la bobine RF semi-toroidale des Figures 1 et 2, dans lequel les extrémités ouvertes de la bobine semi-toroidale sont aplaties dans des directions radiales par rapport à la bobine;
Figure 10 est une vue isométrique d'un autre exemple de réalisation de la bobine RF semi-toroîdale représentée sur les Figures 1 et 2, dans lequel les extrémités ouvertes de la bobine semi-toroidale sont pincées dans des directions radiales par rapport à la périphérie de la bobine;;
Figure Il est une représentation isométrique d'un autre exemple de réalisation de la bobine RF semi-toroidale de la présente invention, dans lequel la forme semitoroidale est bobinée avec deux enroulements de bobine en parallèle, les sens des enroulements étant inverses l'un par rapport à l'autre, l'extrémité éloignée de chaque enroulement de bobine étant connectée à une plaque conductrice reliée à la masse et incluant des ouvertures centrées sur les faces de la bobine;
Figure 12 représente encore un autre exemple de réalisation de l'invention constitué de deux bobines semi-toroidales croisées du type représenté sur la Figure ll, chacun des quatre enroulements de bobine individuels étant connecté à une plaque commune reliée à la masse; ;
Figure 13 représente un autre exemple de réalisation de l'invention, qui utilise une petite bobine de calage bobinée en sens inverse et mise en place d'une manière concentrique à l'intérieur d'une bobine RF principale semi-toroidale;
Figure 14 est une représentation graphique de l'intensité totale de champ magnétique en fonction de la distance de la bobine RF semi-toroidale calée de la
Figure 13; et
Figure 15 représente l'utilisation d'une bobine semi-toroidale comme bobine de découplage dans un spectromètre à RMN supraconducteur par ailleurs classique.
Les Figures 1 et 2 représentent dans sa forme la plus simple une bobine RF semi-toroidale 10 telle qu'elle pourrait être utilisée dans un spectromètre à RMN. Comme on le voit, la bobine est constituée simplement par un conducteur électrique 12 enroulé autour d'une forme tubulaire semi-toroidale 14. La forme 14 peut être construite dans n'importe quel matériau diélectrique approprié, pourvu que le matériau ne contienne pas d'élément à analyser avec le spectromètre et qu'il ne présente pas une absorption diélectrique importante à la fréquence de fonctionnement de la bobine. Dans certaines conditions, on peut omettre la forme 14 si la bobine proprement dite peut être construite avec un conducteur ayant une rigidi- té structurelle suffisante pour garder sa forme pendant une utilisation ordinaire.
On remarquera que la forme de la bobine RF ne doit pas etre nécessairement semi-toroidale parfaite.D'autres formes semblables qui sont topologiquement equivalentes peuvent etre également ou plus appropriées, selon les circonstances.
La Figure 2 inclut des lignes de champ magnétique 16 qui indiquent la forme générale du champ magnétique produit par la bobine 10. Comme on l'a indiqué, le champ émerge d'urne extrémité de la bobine et retourne à l'autre extré té. On peut décrire le champ ccplet comme constitue de deux parties: une Fremière partie, ou partie interieure, qui est entourée entièrement à l'intérieur des limites tubulaires de la bobine 10; et une seconde partie, ou partie exterieure, qui est extérieure à la bobine et qui émerge des et retourne par les extrémités ouvertes de la bobine de la manière représentée. C'est la derniè- re partie du champ qui est utile dans les applications de la RMX décrites ci-dessous.
La Figure 3 représente la relation qui existe entre le champ magnétique de la bobine RF semi-toroldale 10, tel qu'il est indiqué par les lignes de champ 16, et un champ magnétique statique homogène qui s'étend parallèlement à l'axe de symétrie double de la bobine. Les signaux de RMN sont obtenus le plus efficacement à partir des régions dans lesquelles le champ magnétique produit par la bobine est à peu près perpendiculaire au champ statique. Ces régions sont indiquées par les zones hachurées obliquement 18 de la Figure 3. Comme on l'a indiqué, ces régions définissent un volume en forme de cornes qui s'étend dans son ensemble le long de l'axe de symétrie double de la bobine.L'intensité du champ magnétique en
RF diminue cependant avec la distance de la,bobine RF, de sorte que la partie de la région 18 la plus proche de la bobine RF est la plus efficace pour produire les signaux de RMN.
RF diminue cependant avec la distance de la,bobine RF, de sorte que la partie de la région 18 la plus proche de la bobine RF est la plus efficace pour produire les signaux de RMN.
Inversement, les signaux de RMN sont le moins efficacement obtenus à partir de régions dans lesquelles le champ statique et le champ de bobine de RF sont à peu près parallèles, qui sont indiquées comme deux régions hachurées obliquement 19 s'étendant vers l'extérieur et loin des faces d'extrémité de la bobine.
Les Figures 4 et 5 représentent comment une bobine
RF semi-toroidale 10 telle que celle représentée sur les
Figures 1 et 2 pourrait être utilisée dans le noyau d'un gros aimant de RMN supraconducteur 20 pour obtenir des mesures de RMT à partir d'un tissu à l'intérieur de l'avant-bras d'un sujet humain. Dans le système représente, les dimensions à la fois du noyau de l'aimant et de la bobine RF sont choisies de manière à permettre à une personne d'insérer son bras dans le noyau de l'aimant et de placer l'avant-bras très près des au en contact avec les extrémités ouvertes de la bobine 10.
RF semi-toroidale 10 telle que celle représentée sur les
Figures 1 et 2 pourrait être utilisée dans le noyau d'un gros aimant de RMN supraconducteur 20 pour obtenir des mesures de RMT à partir d'un tissu à l'intérieur de l'avant-bras d'un sujet humain. Dans le système représente, les dimensions à la fois du noyau de l'aimant et de la bobine RF sont choisies de manière à permettre à une personne d'insérer son bras dans le noyau de l'aimant et de placer l'avant-bras très près des au en contact avec les extrémités ouvertes de la bobine 10.
En outre, la bobine 10 des Figures 4 et 5 est orientée de sorte qu'elle repose dans un plan s'étendant perpendiculairement au champ magnétique statique (qui s'étend le long du noyau de l'aimant), ce qui contraste avec l'orientation représentée sur. la Figure 3. Avec cette orientation, la plus grande partie du champ magnétique produit par la bobine est perpendiculaire au champ xnagné- tique statique, ce qui rend la bobine sensible à un slu- me plus grand de l'échantillon. Cette orientation est aouhaitable quand on pense simplement obtenir un signal à partir d'un objet-échantillon relativement homogènes sans chercher à faire une distinction entre les signaux obtenus à partir de différents emplacements à l'intérieur de l'objet.
Une autre configuration possible est celle dans laquelle le plan de la bobine semi-toroidale est parallèle aux lignes de champ statique et où 1'axe de symétrie double est perpendiculaire au champ statique. Cette configuration permet d'obtenir un maximum de sensibilité dans des régions voisines des extrémités de la bobine semi-toroidale et un minimum de sensibilité loin des extrémités.
Une comparaison appropriée des signaux à partir des diffé- rentes orientations de la bobine par rapport au champ sta- tique permet de différencier les signaux obtenus à partir de parties de l'échantillon qui sont proches de la bobine de ceux obtenus à partir de parties qui sont plus profondes à l'intérieur de l'échantillon.
Comme on l'a noté plus haut, le champ magnétique efficace engendré par la bobin@ semi-toroidale peut etre décrit comme constitué de deux parties. c' est-à-dire, la partie existant dans la forme semi-toroidale tubulaire, et la partie extérieure à la forme toroïdale qui pénètre dans un échantillon tel que l' > vant-bras représenté sur les Figures 3 et 4. r,a partie du champ magnétique contenue dans la bobine semi-teroldale est effectivement isolée des effets des objets métalliques avoisinants, par exemple la surface intérieure de l'aimant supraconducteur.
Il en résulte que les parties de 1 'aimant magnétique en
RF à l'intérieur de la bobine ainsi qu'à l'extérieur de la bobine ne subissent pas dans une ,large mesure l'influence de la proximité de la surface métallique derrière la bobine. Cet isolement du champ magnétique en RF représente un perfectionnement important sur les bobines
RF précédemment connues, qui sont sensibles aux effets des objets métalliques avoisinants. A cet égard, on notera que tout ce qui affecte la partie inutilisée du champ magnétique affecte également la forme et l'intensité de la partie utilisée, ce qui affecte les performances de l'instrument.
RF à l'intérieur de la bobine ainsi qu'à l'extérieur de la bobine ne subissent pas dans une ,large mesure l'influence de la proximité de la surface métallique derrière la bobine. Cet isolement du champ magnétique en RF représente un perfectionnement important sur les bobines
RF précédemment connues, qui sont sensibles aux effets des objets métalliques avoisinants. A cet égard, on notera que tout ce qui affecte la partie inutilisée du champ magnétique affecte également la forme et l'intensité de la partie utilisée, ce qui affecte les performances de l'instrument.
La Figure 6 représente une autre application de l'invention qui est semblable à celle représentée sur les
Figures 4 et 5, mais à plus grande échelle. Dans cette application, une bobine RF semi-toroidale 10 est utilisée en combinaison avec un très gros électro-aimant de RMN supraconducteur 21 pour obtenir des mesures de RMN de diagnostic à partir d'un tissu à l'intérieur de l'abdo- men d'un sujet humain. Comme avec l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, les dimensions de l'électro-aimant supraconducteur et de la bobine RF semi-toroidale sont encore choisies de manière à obtenir une configuration optimale pour une personne de taille moyenne.
Figures 4 et 5, mais à plus grande échelle. Dans cette application, une bobine RF semi-toroidale 10 est utilisée en combinaison avec un très gros électro-aimant de RMN supraconducteur 21 pour obtenir des mesures de RMN de diagnostic à partir d'un tissu à l'intérieur de l'abdo- men d'un sujet humain. Comme avec l'exemple de réalisation décrit ci-dessus, les dimensions de l'électro-aimant supraconducteur et de la bobine RF semi-toroidale sont encore choisies de manière à obtenir une configuration optimale pour une personne de taille moyenne.
La Figure 7 représente une application de la présente invention dans un spectromètre à RMN comportant un électro-aimant à noyau de fer classique 22 constitué de deux bobines d'aimant 24 espacées et de pièces polaires en fer 24a associées. Une bobine RF semi-toroidale 10 est placée entre les pièces polaires 24a de l'électro-aimant.
Dans l'exemple de réalisation représenté, la bobine RF est centrée entre les pièces polaires et elle est placée de sorte qu'elle repose orthogonalement par rapport à un axe central longitudinal 24b s'étendant dans les pièces polaires. En outre, la bobine RF est de préférence décalée de l'axe 24b des pièces polaires, de sorte que le champ en RF efficace provenant de la bobine semi-toroidale est situé à un point central sur l'axe 24b à mi-distance entre les pièces polaires, ou le champ magnétique provenant de l'électro-aimant de RMN est le plus uniforme.
La Figure 8 représente une utIlisation de la disposition représentée sur la Figure 7. Une main de personne est insérée entre les pièces polaires 24a et placée latéralement contre les faces de la bobine emi-toroidale 10. De cette manière, on obtient une mesure de RMN à par- tir d'un tissu profond a l'intérieur de la main de la personne.Avec une bobine semi-toroidale prototype réelle ayant une dimension d'ensemble de 3 êm et une section transversale de 1,5 x 1,5 cm disposée de cette manière, le signal de RMN de protons à un seul coup provenant d'une main d'humain adulte à une distance de 5 cm et à une fréquence de 10 MHz a un rapport signal/bruit d'envi ron 10.Ce type d'application, en raison de a simplicité d'utilisation, est particulièrement appropriée pour des applications de diagnostic nécessitant des déterminations biochimiques ou physiochimiques rapides, particulièrement quand il n'est pas nécessaire obtenir ces déterminations à partir d'une partie particulière d'un corps de personne.
Les Figures 9 et 10 représentent certaines modifi- cations de la bobine RF semi-toroidale de base. Sur la
Figure 9, les extrémités ouvertes d'une bobine semi-toroï- dale 30 sont aplaties par exemple en comprimant les extrémités ouvertes dans des directions radiales par rapport à la bobine. Cela met en forme le champ magnetique de ma nière à améliorer l'homogénéité du champ dans la direction perpendiculaire au plan 9e la bobine semi-toroïdale. Cependant, la majeure partie de la bobine semi-toroidale est circulaire en coupe transversale pour augmenter au maximum le facteur de qualité de la bobine et par conséquent l'intensité du champ produit.
Figure 9, les extrémités ouvertes d'une bobine semi-toroï- dale 30 sont aplaties par exemple en comprimant les extrémités ouvertes dans des directions radiales par rapport à la bobine. Cela met en forme le champ magnetique de ma nière à améliorer l'homogénéité du champ dans la direction perpendiculaire au plan 9e la bobine semi-toroïdale. Cependant, la majeure partie de la bobine semi-toroidale est circulaire en coupe transversale pour augmenter au maximum le facteur de qualité de la bobine et par conséquent l'intensité du champ produit.
La Figure 10 représente une bobine 32 < ul est aplatie et pincée à ses extrémités ouvertes pour améliorer encore l'homogénéité de champ dans la direction parallèle au plan de la bobine semi-toroldale. Dn peut se représenter cet effet en considérant le cas DU l'allonge- ment a été réalisé jusqu'au point tel que la bobine a été divisée en deux bobines. Il est alors évident qu'il y a une région située entre les bobines où le champ a une valeur minimale relative. Cette valeur minimale peut etre augmentée pour qu'elle soit une fonction horizontale, c'est-à-dire, un champ uniforme, par un réglage judicieux de la distance réelle entre les bobines.
La Figure ll représente un autre exemple de réalisation dans lequel une bobine 36 comprend deux enroulements de bobine 38 et 40. Les enroulements 38 et 40 sont formés à partir d'un point central commun et sont dans des sens inverses. En outre, les enroulements 38 et 40 sont connectés à une plaque électriquement conductrice 42 reliée à la masse. La plaque 42 reliée à la masse comprend des ouvertures circulaires (non représentées) qui coïncident avec les ouvertures de la bobine semi-toroidale 36. Avec cette configuration, l'échantillon n'est pas exposé à un champ électrique parasite qui peut provenir des différences de tension entre les extrémités de la bobine, puisque les extrémités de la bobine sont maintenues au me me potentiel électrique. Le dispositif est utilisé simplement en plaçant la plaque reliée à la masse contre un objet, tel qu'une partie d'un corps d'une personne, de la me me manière que dans les applications décrites plus haut.
La configuration représentée sur la Figure il rend le dispositif plus sur dans des applications cliniques, car il nty a pas de risque de secousse directe à partir des extrémités de la bobine. De plus, l'échauèment dielectrique diun échantillon dû à un champ électrique en RF parasite est réduit au minimum. Cet avantage comporte aussi des ramifications importantes pour l'utilisation de la bobine comme bobine de découplage pour la seconde irradiation dans une expérience à double résonance. Par exempie, pour obtenir des signaux de RES à partir de noyaux de carbone 13, il est généralement nécessaire d'irradier en permanence les protons à leur fréquence de résonance afin de découpler l'effet des protons sur la résonance du carbone 13.En raison de la fréquence élevée des pro- tons ainsi que du grand coefficient dutilîsation de l'irradiation, cette irradiation des protons chauffe fa- cilement un tissu vivant excepté si le champ électrique en RF accompagnant le champ magnétique en RF peut etre supprimé. Un autre avantage est que le rapport signal/ bruit n'est pas affecté de façon néfaste par le couplage du bruit diélectrique par rapport à la bobine. Le rapport signal/bruit peut etre meme amélioré davantage sur une bobine de dimensions identiques car les connexions électriques parallèles autorisent un nombre plus grand de spires pour la même inductance.Enfin, les paramètres d'accord sont moins affectés par l'interaction de champ électrique de l'échantillon avec la bobine, ce qui sim purifie le fonctionnement de la bobine.
Pour améliorer encore les performances, on peut utiliser des bobines semi-torodales supplémentaires telles que représentées sur la Figure 11, comme on l'a représenté par exemple sur la Figure 12. La Figure 12 repré sente une seconde bobine semi-toroidale 44 placée à angle droit par rapport à une première bobine semi-toroidale 46, les bobines incluant un total de quatre enroulements électriques 48, 50, 52 et 54. Les quatre enroulements sont formés à partir d'un centre commun en haut de la disposé tion, et ils sont chacun connectés à une plaque 56 reliée à la masse. De cette façon, on dispose de 1,4 fois le champ provenant de chaque bobine.Dans cet exemple de réalisation, les deux bobines 44 et 46 peuvent etre excitées avec des courants RF déphasés de 900 de sorte que les contributions des deux bobines sont additionnées d'une manière constructive pour produire un champ polarisé circulairement en RF.
La Figure 13 représente l'utilisation d'une bobine de calage 60 pour augmenter encore les performances d'une bobine RF principale semi-toroidale. La bobine de calage 60 est constituée par une petite bobine RF semitoroïdale qui est mise en place d'une manière concentrique à l'intérieur de la bobine RF principale 62. La bobine de calage 60 est excitée avec un courant électrique
RF de manière à produire un champ magnétique en RF neutralisant. Le champ provenant de la bobine de calage 60 est réglé pour annuler partiellement le champ provenant de la bobine principale 62 à une certaine distance près du plan central commun des bobines.Cependant, à des distances supérieures, le champ de la bobine de calage est plus faible et a moins d'effet, de sorte que le champ ma gnétique efficace provenant de la bobine principale 62 est situé à une certaine distance du plan commun. L'effet de la bobine de calage est en outre représenté sur la Figure 14, qui indique graphiquement comment le champ provenant de la bobine de calage et le champ provenant de la bobine principale s'annulent à faibles distances, en laissant un champ total qui est le plus grand à une certaine distance de l'ensemble.
RF de manière à produire un champ magnétique en RF neutralisant. Le champ provenant de la bobine de calage 60 est réglé pour annuler partiellement le champ provenant de la bobine principale 62 à une certaine distance près du plan central commun des bobines.Cependant, à des distances supérieures, le champ de la bobine de calage est plus faible et a moins d'effet, de sorte que le champ ma gnétique efficace provenant de la bobine principale 62 est situé à une certaine distance du plan commun. L'effet de la bobine de calage est en outre représenté sur la Figure 14, qui indique graphiquement comment le champ provenant de la bobine de calage et le champ provenant de la bobine principale s'annulent à faibles distances, en laissant un champ total qui est le plus grand à une certaine distance de l'ensemble.
La Figure 15 représente l'utilisation d'une bobine
RF semi-toroidale 64 comme bobine de découplage dans le noyau à température ambiante d'un aimant supraconducteur 66. Un échantillon 68 est enfermé dans une bobine RF so lénoidale classique 70 et on le fait tourner autour d'un axe horizontal qui s'étend perpendiculairement à l'axe de symétrie double de la bobine de découplage semi-toroi- dale 64. Bien qu'on ait représenté la bobine RF principale 70 comme une bobine solénoidale classique, on remarquera que les deux bobines principale et de découplage peuvent etre semi-toroidales. La bobine de découplage 64 de la Figure 15 comprend des enroulements divisés du type représenté sur la Figure ll, et elle comprend également une plaque 64a reliée à la masse pour réduire au minimum le champ électrique parasite et pour réduire au minimum l'échauffement diélectrique de l'échantillon.
RF semi-toroidale 64 comme bobine de découplage dans le noyau à température ambiante d'un aimant supraconducteur 66. Un échantillon 68 est enfermé dans une bobine RF so lénoidale classique 70 et on le fait tourner autour d'un axe horizontal qui s'étend perpendiculairement à l'axe de symétrie double de la bobine de découplage semi-toroi- dale 64. Bien qu'on ait représenté la bobine RF principale 70 comme une bobine solénoidale classique, on remarquera que les deux bobines principale et de découplage peuvent etre semi-toroidales. La bobine de découplage 64 de la Figure 15 comprend des enroulements divisés du type représenté sur la Figure ll, et elle comprend également une plaque 64a reliée à la masse pour réduire au minimum le champ électrique parasite et pour réduire au minimum l'échauffement diélectrique de l'échantillon.
La description précédente de différents exemples de réalisation de l'invention ne doit pas etre considérée comme exhaustive ou limitant l'invention aux formes précises décrites, celles-ci pouvant en effet etre modifiées ou changées par l'homme de l'art sans sortir pour autant du cadre de la presente invention telle qu'elle est définie dans les revendications qui suivent.
Claims (15)
1. Spectromètre à résonance magnétique nucléaire (RMS), caractérisé en ce que son perfectionnement est constitué par une bobine de radiofréquence (RF) semi-to roidale (10) servant à irradier un échantillon avec un champ magnétique alternatif.
2. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite bobine est une bobine principale de RMN.
3. Spectromètre selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite bobine est une bobine de découplage.
4. Spectromètre selon la revendication 2, caracté- risé en ce que ladite bobine RF semi-toroldale comporte un axe de symétrie double et en ce que, le spectromètre comportant un champ magnétique statique, ledit axe de symétrie double s'étend parallèlement à la direction du champ magnétique statique du spectromètre à RMN.
5. Spectromètre selon la revendication 2, caracté- risé en ce que ledit perfectionnement est constitué en outre par une bobine de calage semi-toroidale (60)mise en place d'une manière concentrique à l'intérieur de la bobine principale (62), les bobines principale et de calage étant bobinées dans des sens inverses de sorte que le champ magnétique en RF de la bobine de calage annule partiellement le champ de la bobine principale à faibles distances, ce qui permet d'obtenir un signal de RMN à partir d'une région isolée profonde dans un échantillon.
6. Spectromètre selon la revendication 2, caracté- risé en ce que ladite bobine comprend un ensemble de bo bine s semi-toroidales (38, 40) ayant chacune un axe de symétrie double , les axes de symétrie double s'étendant parallèlement entre eux et étant coaxiaux.
7. Spectromètre selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la bobine RF semi-toroidale (30) est aplatie dans des directions radiales par rapport à la bobine.
8. Spectromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine RF semi-toroidale (32) est pincée dans des directions radiales par rapport à la bobine.
9. Spectromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine RF semi-toroidale (36) comprend deux enroulements de bobine (38,40) qui sont bobinés dans des sens inverses.
10. Spectromètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que le perfectionnement est constitué en outre par une plaque (42) reliée à la masse, les faces de la bobine s'ouvrant dans des ouvertures formées dans ladite plaque reliée à la masse, chacun des enroulements de bobine étant électriquement connecté à une extrémité de la plaque reliée à la masse.
11. Spectromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite bobine RF sni-toroldale 5lO) peut fonctionner dans un mode duplex pour irradier un échantillon et pour recevoir le signal de RMN induit de 1 'échantillon, alternativement.
12. Spectromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bobine RF semi-toroidale de découplage (64) comporte un axe de symétrie double et en ce que, le spectromètre comportant un champ magnétique sta tique, ledit axe de symétrie double de la bobine de de couplage s'étend parallèlement à la direction du champ magnétique statique du spectromètre.
13. Spectrometre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la bobine de découplage (64) comprend une plaque reliée à la masse (64a)pour réduire au minimum le champ électrique RF parasite, les faces de la bobine s'ouvrant dans des ouvertures formées dans la plaque reliée à la masse.
14. Spectrsmetre selon la revendication , caractérisé en ce que la bobine de décoplage sem-toroldale comprend deux enroulements de bobines i38.403 bobinés en sens inverses.
15. Spectromètre selon la revendication 13, caractérisé en ce que la bobine de découplage semi-toroidale comprend deux enroulements de bobine bobinés dans des sens inverses, et en ce que chacun des enroulements (38, 40) est connecté électriquement à une extrémité de la plaque reliée à la masse (42).
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