FR2704322A1 - Système de bobines de gradient transverse pour appareil de résonance magnétique nucléaire. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de bobines de gradient transverse pour appareil de résonance magnétique nucléaire, les bobines étant disposées autour de l'axe z de l'appareil pour fournir une induction axiale Bz proportionnelle à une des coordonnées perpendiculaires à l'axe z de l'appareil en un point situé sur l'axe z, les bobines (11, 12, 13, 14) étant réparties en quatre unités et possédant chacune une première partie (111, 121, 131, 141) en arc de cercle centré sur l'axe z et destinée à fournir au point O ladite induction axiale, ces premières parties étant les parties des bobines les plus proches du point O qui est le centre de symétrie de la figure formée par ces premières parties, l'appareil possédant également des moyens d'écrantage actif des courants induits par les bobines dans une direction s'éloignant de l'axe z, caractérisé en ce que les bobines comportent des deuxièmes parties (112, 122, 132, 142) en arc de cercle plus éloignées de l'axe z que les premières, les premières et deuxièmes parties étant reliées entre elles par des segments de liaison (113, 114, 123, 124, 133, 134, 143, 144).

Description

Système de bobines de aradient transverse Dour appareil de résonance magnétique nucléaire.

La présente invention concerne un système de bobines de gradient transverse pour appareil de résonance magnétique nucléaire.

L'imagerie et la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire nécessitent d'une part un champ magnétique très homogène et très stable, souvent obtenu avec un aimant supraconducteur, et d'autre part des bobines pulsées dites bobines de gradient.

Classiquement, les bobines de gradient transverse, fournissant une induction axiale Bz proportionnelle à une des coordonnées perpendiculaire à l'axe z de l'appareil (x ou y) sont réalisées à partir de bobines en forme de selles de cheval. La figure 2 donne une représentation simplifiée de ces bobines. D'un point de vue théorique, il faut quatre bobines en selles de cheval. Le document "A finite element
Fourier expansion technique for the design of a pulsed radial gradient system for magnetic resonance imaging (MRI) " de R.D. Pillsbury, Jr. et W.F.B. Punchard, paru dans
IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Xag-21, n'6, Novembre 1985, présente une technique de calcul de ces bobines.

Dans la réalité, pour améliorer la linéarité du champ magnétique, plusieurs ensembles de ce type sont nécessaires.

Les quatre selles de cheval sont remplacées par quatre ensembles de selles de cheval imbriquées les unes dans les autres de sorte à tenir sur le même cylindre et connectées en série.

L'ensemble de bobines en selles de cheval constituant une bobine de gradient est souvent placé à l'intérieur de viroles métalliques, par exemple celles constituant l'enceinte cryostatique de l'aimant supraconducteur. Ces viroles sont alors le siège de courants induits.

Ces courants induits sont gênants car la carte de champ évolue pendant la durée de l'impulsion fournie aux bobines de gradient. L'effet de ces courants induits peut être diminué de différentes manières. On peut modifier les viroles en jouant sur la résistivité du matériau qui les compose, sur leur épaisseur, sur la distance séparant les viroles des bobines de gradient. On peut aussi modifier les caractéristiques de l'impulsion délivrée par l'alimentation.

On peut encore former un écran actif entre les bobines de gradient et les viroles.

Le principe de l'écran actif est de constituer un deuxième ensemble de bobines en selles de cheval placées sur un cylindre de rayon intermédiaire entre celui du cylindre sur lequel sont placées les bobines de gradient et celui de la virole. Si la bobine de gradient globale est constituée de 4 n selles de cheval, l'écran sera constitué de 4 p selles de cheval avec p inférieur à n.

La partie utile d'un lot de quatre selles de cheval de bobine de gradient est constituée uniquement des arcs de cercle les plus proches de la zone centrale où se pratique l'examen. Les arcs de cercle les plus éloignés servent au retour du courant mais créent une induction opposée et aussi plus faible que celle créée par les arcs plus proches.

Les parties droites des bobines de gradient en selles de cheval ne contribuent pas à l'induction axiale et ne servent qu'à fermer le circuit électrique. Elles créent un champ radial puissant et sont une source importante de courants induits dans les viroles. Elles augmentent donc la difficulté de réaliser un écrantage efficace.

Quand un écran actif est utilisé, les arcs des bobines de l'écran actif les plus proches de la zone centrale de l'appareil diminuent la valeur du gradient tandis que les arcs les plus éloignés de ces mêmes bobines l'augmentent.

Globalement, la présence d'un écran actif diminue la valeur du gradient.

Qu'ils contribuent ou non à créer le gradient, tous les conducteurs sont le siège de pertes par effet Joule et par courants induits (régime pulsé). Les conducteurs qui ne contribuent pas directement à créer le gradient augmentent les besoins en refroidissement et en puissance active à fournir. De plus, ces conducteurs improductifs sont placés le plus loin possible de la zone où l'on crée le gradient.

Ils augmentent l'encombrement de l'ensemble et son inductance, augmentant donc la puissance réactive à fournir.

Dans les applications visées, le bruit généré par les bobines est une préoccupation importante. Le bruit trouve sa source dans les vibrations des conducteurs soumis aux forces de Laplace. Tout conducteur qui ne contribue pas à créer le gradient augmente inutilement la nuisance sonore.

La présente invention remédie à ces inconvénients. On propose une nouvelle disposition des bobines de gradient.

Les bobines de gradient en selles de cheval sont remplacées par des bobines qui peuvent être planes et contenues dans des plans perpendiculaires à l'axe de l'appareil. Chaque bobine de gradient est constituée de deux arcs de cercle de rayons différents. Celui correspondant au plus petit rayon crée le gradient nécessaire. Celui correspondant au plus grand rayon écrante le champ magnétique radial. Ces deux arcs de cercle sont reliés électriquement entre eux pour fermer le circuit électrique.

On peut noter que les liaisons entre les deux arcs de cercle contribuent à créer le gradient contrairement aux parties droites des selles de cheval.

L'invention a donc pour objet un système de bobines de gradient transverse pour appareil de résonance magnétique nucléaire, les bobines étant disposées autour de l'axe z de l'appareil pour fournir une induction axiale Bz proportionnelle à une des coordonnées perpendiculaires à l'axe z de l'appareil en un point situé sur l'axe z, les bobines étant réparties en quatre unités et possédant chacune une première partie en arc de cercle centré sur l'axe z et destinée à fournir au point O ladite induction axiale, ces premières parties étant les parties des bobines les plus proches du point O qui est le centre de symétrie de la figure formée par ces premières parties, l'appareil possédant également des moyens d'écrantage actif des courants induits par les bobines dans une direction s'éloignant de l'axe z, caractérisé en ce que les bobines comportent des deuxièmes parties en arc de cercle plus éloignées de l'axe z que les premières, les premières et deuxièmes parties étant reliées entre elles par des segments de liaison, les deuxièmes parties constituant les moyens d'écrantage actif.

Les bobines de gradient peuvent être des bobines planes contenues dans des plans perpendiculaires à l'axe z.

Les segments de liaison peuvent être des parties droites disposées radialement par rapport à l'axe z.

Le système peut comporter en outre des bobines d'écrantage en selles de cheval.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels
- la figure 1 représente, vu en coupe partielle un appareil à résonance magnétique nucléaire à aimant supraconducteur,
- la figure 2 représente de manière schématique un système de bobines de gradient transverse selon l'art connu,
- la figure 3 représente de manière schématique un système de bobines de gradient transverse selon l'invention.

La figure 1 illustre un appareil d'imagerie médicale par résonance magnétique nucléaire. Cet appareil possède un axe z qui est l'axe du cylindre constituant la forme générale de l'appareil. Le sujet à examiner est couché sur une table roulante 1 déplaçable selon l'axe Z. L'appareil comprend un aimant 2 de section annulaire centrée sur l'axe z et fournissant un champ magnétique statique.

Dans le cas de la figure, il s'agit d'un aimant supraconducteur. Le système de bobines de gradient 3 constitue un tube placé à l'intérieur de l'aimant supraconducteur 2 et centré également sur l'axe z. On remarque également la bobine radiofréquence 4 destinée à produire un champ tournant perpendiculaire au champ statique. Cet appareil est d'un type utilisé classiquement en imagerie médicale.

La figure 2 donne la disposition de bobines créant un gradient d'induction selon l'axe Ox perpendiculaire à l'axe
Z et également perpendiculaire à l'axe Oy. Le point O situé sur l'axe z représente le centre de la zone d'examen. Les quatre bobines de gradient 6, 7, 8 et 9 sont portées par un cylindre fictif centré sur l'axe z. A cause de leur forme, on leur donne le nom de selles de cheval. Chaque bobine comprend des premières parties 61, 71, 81 et 91 en arc de cercle. Les arcs 61 et 81 sont situés dans un premier plan parallèle au plan xOy et situé à une certaine distance du plan xOy.

Les arcs 71 et 91 sont situés dans un deuxième plan parallèle au plan xOy, le point O servant de point de symétrie pour ces premier et deuxième plan. Les arcs de cercle 61, 71, 81 et 91 constituent la partie utile des bobines de gradient.

Les bobines 6, 7, 8 et 9 comportent des deuxièmes parties 62, 72, 82 et 92 également en arc de cercle et plus éloignées du point O que les premières parties. Ces deuxièmes parties servent au retour des courants parcourant les bobines.

Les parties en arc de cercle sont reliées par des parties droites 63 et 64 pour la bobine 6, 73 et 74 pour la bobine 7, 83 et 84 pour la bobine 8, 93 et 94 pour la bobine 9. Comme il a été dit plus haut, ces parties droites sont une source importante de courants induits dans les viroles de l'aimant supraconducteur.

Les courants dans les bobines en selles de cheval circulent dans le sens indiqué par les flèches.

Pour améliorer la linéarité du champ, chaque selle de cheval est en fait remplacée par quatre ensembles de selles de cheval imbriquées les unes dans les autres et connectées en série.

Pour constituer un écran actif, on dispose un deuxième ensemble de bobines en selles de cheval sur un cylindre de rayon intermédiaire entre celui du cylindre sur lequel sont placées les bobines de gradient et celui de la virole.

Selon l'un des modes de réalisation de l'invention, les bobines de gradient possèdent la configuration donnée à la figure 3. Les bobines de gradients 11, 12, 13 et 14 sont placées sur des plans parallèles au plan xOy. Les bobines 11 et 13 sont placées sur un premier plan situé à une certaine distance du point O. Les bobines 12 et 14 sont placées sur un deuxième plan opposé au premier par rapport au point o.

Les bobines comportent des premières parties 111, 121, 131 et 141 en arcs de cercle disposés fictivement sur un premier cylindre d'axe z. Elles comprennent des deuxièmes parties 112, 122, 132 et 142 également en arcs de cercle mais disposés fictivement sur un deuxième cylindre d'axe z et de rayon supérieur au rayon du premier cylindre.

Pour chaque bobine, les arcs de cercle sont reliés par des segments de liaison 113 et 114 pour la bobine 11, 123 et 124 pour la bobine 12, 133 et 134 pour la bobine 13, 143 et 144 pour la bobine 14. Ces segments de liaison peuvent être des parties droites disposées radialement par rapport à l'axe z.

Les courants circulant dans ces bobines ont des directions indiquées sur la figure par des flèches.

Pour obtenir un champ axial Bz de bonne linéarité en fonction des coordonnées x et y, il est nécessaire d'empiler plusieurs ensembles, tels que celui représenté à la figure 3, selon l'axe z.

L'invention se prête bien à de multiples adaptations.

Les arcs de cercle d'une même bobine ne sont pas nécessairement situés sur un plan parallèle au plan xOy. Ce plan peut être incliné par rapport à l'axe z. Les segments de liaison ne sont pas nécessairement situés sur une droite coupant l'axe z. Ils ne sont pas nécessairement droits.

Pour obtenir un écrantage pleinement efficace, il peut être nécessaire de rajouter un ou plusieurs jeux de bobines d'écrantage en selles de cheval de petite longueur selon l'axe z. Ceci représente une quantité de conducteurs beaucoup plus faible que dans les solutions classiques.

L'invention se prête également bien à la modification d'un système classique pour le transformer en un nouveau système selon l'invention. On part d'un ensemble de bobines de gradient écranté réalisé de manière classique avec 4n selles de cheval sur un cylindre intérieur et 4p (p étant inférieur à n) selles de cheval sur un cylindre extérieur.

On peut réduire la quantité de conducteurs nécessaire de la manière suivante. On considère une bobine en selle de cheval sur le cylindre intérieur et une qui lui correspond sur le cylindre extérieur. On ne conserve pour ces deux bobines que les arcs de cercle les plus proches de la zone centrale. On élimine donc deux longueurs droites et un arc de cercle sur chaque cylindre. On relie électriquement les deux arcs de cercle conservés soit directement, soit par une combinaison de liaisons électriques axiales (parallèles à Oz) et radiales (dans des plans parallèles à xOy). Les sens des courants autorisent cette connexion. On recommence avec deux autres bobines tant qu'il est possible d'éliminer des connexions axiales (jusqu'à p éliminations successives). Le même traitement est appliqué aux bobines symétriques. Une réoptimisation du gradient et de l'écrantage est nécessaire.

Les avantages de l'invention sont multiples. La puissance de l'alimentation électrique est réduite puisqu'on élimine de la résistance et de l'énergie stockée. Il en découle une réduction des moyens de refroidissement. Le niveau de bruit est diminué. La qualité de l'écrantage est améliorée. L'encombrement des bobines de gradient se trouve réduit.

La réduction de la puissance de l'alimentation joue d'abord sur la puissance active, réduite en éliminant des conducteurs inutiles ou nuisibles. Elle joue aussi sur la puissance réactive car le volume dans lequel on crée du champ est fortement réduit. On peut en attendre une réduction du coût de l'alimentation.

La réduction des moyens de refroidissement résulte de la diminution de la puissance active par réduction des pertes.

La réduction du niveau de bruit résulte de la diminution de la quantité de conducteurs soumis aux forces de Laplace. Il en résulte une amélioration du confort pour l'utilisateur et pour le sujet examiné.

Il doit en résulter un écrantage plus efficace par la minimisation de la source de champ parasite et par de nouveaux degrés de liberté introduits dans la conception. Il en découle une meilleure qualité de champ et donc une amélioration de la qualité de l'image (pour l'imagerie) ou de la résolution de l'analyse (pour la spectroscopie).

La réduction de l'encombrement peut induire une réduction de coût mais surtout elle ouvre des possibilités d'amélioration de l'aimant créant le champ magnétique statique.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1) Système de bobines de gradient transverse pour appareil de résonance magnétique nucléaire, les bobines étant disposées autour de l'axe z de l'appareil pour fournir une induction axiale Bz proportionnelle à une des coordonnées perpendiculaires à l'axe z de l'appareil en un point situé sur l'axe z, les bobines (11, 12, 13, 14) étant réparties en quatre unités et possédant chacune une première partie (111, 121, 131, 141) en arc de cercle centré sur l'axe z et destinée à fournir au point O ladite induction axiale, ces premières parties étant les parties des bobines les plus proches du point O qui est le centre de symétrie de la figure formée par ces premières parties, l'appareil possédant également des moyens d'écrantage actif des courants induits par les bobines dans une direction s'éloignant de l'axe z, caractérisé en ce que les bobines comportent des deuxièmes parties (112, 122, 132, 142) en arc de cercle plus éloignées de l'axe z que les premières, les premières et deuxièmes parties étant reliées entre elles par des segments de liaison (113, 114, 123, 124, 133, 134, 143, 144), les deuxièmes parties constituant les moyens d'écrantage actif.

2) Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines de gradient sont des bobines planes contenues dans des plans perpendiculaires à l'axe z.

3) Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les segments de liaison sont des parties droites disposées radialement par rapport à l'axe z.

4) Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des bobines d'écrantage en selles de cheval.