FR2813672A1 - Dispositif perfectionne d'imagerie par resonnance paramagnetique electronique - Google Patents
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Abstract
Un dispositif qui permet l'acquisition d'images par résonance paramagnétique électronique sans utiliser de composants matériels additionnels pour la génération de gradients de champ magnétique est décrit. Ledit dispositif comprend un pont de micro-ondes constitué par une source de rayonnement électromagnétique (13) dans la région des micro-ondes, un circulateur ou T magique (14), un résonateur (15), un détecteur de micro-ondes (17), un détecteur sensible à la phase (18) et des éléments d'atténuation et de déphasage. Il utilise le gradient inhérent dans le champ de modulation, en fonctionnant avec un modulateur haute amplitude (16).
Description
Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif pour
une imagerie par résonance paramagnétique électronique qui utilise un modulateur haute amplitude. De façon davantage particulière, la présente invention concerne un dispositif pour une imagerie par résonance paramagnétique électronique (EPR) monodimensionnelle, bidimensionnelle ou tridimensionnelle qui utilise une technique de spectroscopie hyperfréquences (ou micro-ondes) ou radiofréquence qui détecte et mesure la distribution spatiale de radicaux libres, de certains complexes de métaux de transition, de certains complexes de métaux des terres rares, de molécules à l'état triplet et similaire en exploitant la présence d'électrons non appairés dans ces especes. Ce dispositif présente une application potentielle dans l'industrie du cuir pour détecter la présence et la distribution du chrome dans le cuir. Le dispositif peut également être utilisé dans l'industrie des médicaments, des produits pharmaceutiques et des cosmétiques. Il est également envisagé que ce dispositif présente une utilisation pour détecter la présence et la distribution de radicaux incluant le radical nitroxyde dans des métabolites à des fins médicales. En outre, ce dispositif présente une application potentielle au niveau d'applications minéralogiques et au niveau de
l'industrie alimentaire.
Arrière-plan de l'invention La résonance paramagnétique électronique qui est également connue en tant que résonance de spin électronique (ESR) est l'un des outils spectroscopiques pour étudier la structure moléculaire de radicaux libres organiques et de complexes inorganiques. La mesure est réalisée en positionnant l'échantillon digne d'intérêt (habituellement liquide ou solide) dans un résonateur approprié (par exemple une cavité, une structure à ondes lentes etc...) placé dans un champ magnétique spatialement homogène et en l'irradiant avec un rayonnement électromagnétique (em) dont la fréquence correspond à la fréquence de précession caractéristique des spins électroniques dans le champ externe, la fréquence de résonance étant donnée par l'équation: o% =-g-9Bo o g est le facteur de séparation spectroscopique (le facteur de Landé ou simplement le facteur g), 13 est le magnéton de Bohr, B0 est l'intensité
du champ magnétique et h est la constante de Planck divisée par 27Z.
L'équation de "premier ordre" pour la fréquence de résonance est habituellement modifiée au moyen de facteurs additionnels mettant en jeu des champs internes (ou locaux) provenant d'autres électrons non appairés et/ou de spins nucléaires. L'absorption (ou l'émission) résonante du rayonnement em dans ces conditions est habituellement enregistrée en faisant varier l'intensité du champ magnétique externe en traversant la condition de résonance, en maintenant constante la fréquence du rayonnement em dans un mode à onde continue (cw). Afin de minimiser des dérives courant continu ou DC pendant le déroulement du balayage de champ et afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, il est habituel d'utiliser une modulation de champ, typiquement entre 100 Hz et kHz en utilisant un jeu de bobines de modulation qui sont montées dans le résonateur/la cavité et qui réalisent une détection sensible à la phase (PSD) de la sortie du détecteur d'em (par exemple un détecteur à diode). Normalement, les mesures EPR sont utilisées pour accéder à une information détaillée concernant la structure électronique, la forme et la dynamique d'espèces moléculaires, l'échantillon et le champ
magnétique étant rendus aussi homogènes que possible.
Ceci a demandé aux chercheurs d'étudier les distributions moléculaires ainsi que la structure moléculaire dans des systèmes inhomogènes en utilisant la technique par imagerie selon laquelle l'information est accédée en plaçant l'objet digne d'intérêt dans un résonateur approprié dans un champ magnétique qui présente une variation spatiale, c'est-àdire des gradients Sous ces conditions, la fréquence de résonance est donnée par l'équation qui suit: Oo=g- P(BO+G r) o G représente un vecteur de gradient tandis que r représente le
vecteur de position dans l'échantillon.
La résolution d'une image EPR dépend du nombre de paramètres incluant l'intensité du gradient de champ magnétique, la largeur intrinsèque de la résonance EPR de base des espèces en question (la "largeur de ligne"), le rapport signal sur bruit par élément de volume de l'échantillon, les processus de diffusion moléculaire etc.... En général, la largeur de ligne EPR est de l'ordre de plusieurs Gauss (1 Gauss t 104 Tesla) ou de plusieurs mégahertz dans des unités de fréquence. La résolution R attendue sur la base des deux premiers paramètres peut être donnée comme suit:
R--A-V/2
G O Av11/2 représente la largeur de ligne et G représente l'amplitude de gradient. Comme rapporté par Swartz et suivants (Journal of Magnetic Resonance, 84, 247, 1989), par Eaton et suivants ("EPR Imaging and in vivo EPR", CRC Press, Boston, 1991), par Eaton et suivants (Concepts in Magnetic Resonance, 7, 49, 1994), par Eaton et suivants (Chemical Physics Letters, 142, 567, 1987) et par Symons et suivants (Journal of Magnetic Resonance, 92, 480, 1991), I'imagerie EPR a classiquement été mise en oeuvre au moyen d'un procédé par ondes continues (cw) qui utilise un spectromètre EPR standard, la fréquence de rayonnement
étant maintenue constante tandis que le champ magnétique est balayé.
En fonction de la nature de l'expérimentation, des courants de gradient sont accordés pour réaliser une imagerie EPR monodimensionnelle,
bidimensionnelle ou tridimensionnelle ou un travail spectral-spatial.
Il est habituel de générer le gradient ou les gradients au moyen de jeux additionnels de bobines anti-Helmholtz ou Anderson localisés dans le champ magnétique principal. Lorsque des courants sont amenés à passer au travers de telles bobines refroidies à l'eau ou à l'air pulsé, des gradients importants peuvent être générés, lesquels présentent une amplitude jusqu'à environ 1 Tm-' (100 Gcm-1). Un jeu de bobines est typiquement utilisé pour chacune des trois directions orthogonales de l'espace. Du fait que l'inverse de la largeur de ligne EPR est typiquement court par comparaison avec des temps de commutation de gradient, il est habituel d'acquérir le signal en présence du gradient puis de réorienter l'échantillon par rapport au gradient (par exemple en faisant tourner le gradient, en réglant les amplitudes de courant dans les deux
jeux de bobines de gradient) afin d'obtenir une image bidimensionnelle.
La reconstruction par projection de la série résultante de profils en incluant des opérations de décalage appropriées, de déconvolution et de
rétroprojection conduit ensuite à l'image souhaitée.
Objets de l'invention L'objet essentiel de la présente invention consiste à proposer un dispositif pour une imagerie par résonance paramagnétique électronique
qui lève les exigences spéciales et les limitations mises en exergue ci-
avant. Un autre objet de la présente invention consiste à générer les images EPR souhaitées sans utiliser de jeux additionnels de bobines de gradient. Encore un autre objet de la présente invention consiste à activer la modulation de champ à une amplitude élevée typiquement supérieure
a 20 Gauss dans la plage de 14 à 78 Gauss dans le présent système.
Encore un autre objet de la présente invention consiste à exploiter l'inhomogénéité ou gradient intrinsèque dans le champ de
modulation afin de générer l'information souhaitée.
Un objet supplémentaire de la présente invention consiste à proposer un dispositif permettant de réaliser une imagerie en utilisant un modulateur haute amplitude avec son gradient intrinsèque, sur des
systèmes de spectromètre/imageurs EPR cw existants.
Encore un autre objet supplémentaire de la présente invention consiste à proposer une option pour faire tourner l'échantillon dans le
résonateur.
Résumé de l'invention La nouveauté et la non évidence de la présente invention résident dans l'utilisation d'un modulateur haute amplitude 16 qui permet des amplitudes de modulation de champ importantes, typiquement d'au moins 20 Gauss, afin d'exploiter le gradient inhérent de la modulation de champ pour ainsi éviter l'utilisation de jeux additionnels de bobines de gradient pour générer des images EPR bidimensionnelles ou tridimensionnelles et ainsi, il est possible d'éviter le coût additionnel induit par la fourniture de bobines de gradient, d'amplificateurs de gradient et du système de refroidissement associé, comme il est
essentiel dans le cas des systèmes imageurs EPR classiques.
Brève description des dessins annexés
Parmi les dessins accompagnant la présente description:
La figure 1 représente un schéma fonctionnel d'un spectromètre EPR (ESR) typique, incluant un jeu de bobines de gradient alimentées par un amplificateur de gradient, utilisé pour une imagerie EPR classique. La figure 2 représente un schéma fonctionnel du dispositif de la
présente invention pour une imagerie EPR.
La figure 3 représente un profil x de Cr(V) hmba, en tant que
détails de l'exemple 1.
La figure 4 représente un profil y de Cr(V) hmba, en tant que
détails de l'exemple 1.
La figure 5 représente un profil x de 4-hydroxy-TEMPO, en tant
que détails de l'exemple 2.
La figure 6 représente un profil y de 4-hydroxy-TEMPO, en tant
que détails de l'exemple 2.
La figure 7 représente un profil x de 4-hydroxy-TEMPO, en tant
que détails de l'exemple 3.
La figure 8 représente un profil y de 4-hydroxy-TEMPO, en tant
que détails de l'exemple 3.
Les différents composants de la figure 1 sont comme suit: 1 source de rayonnement électromagnétique dans la région des micro-ondes ou RF 2 circulateur ou T magique 3 résonateur incorporant un couplage d'iris 4 modulateur détecteur de micro-ondes, par exemple un détecteur à diode 6 détecteur sensible à la phase (PSD) 7 convertisseur analogique-numérique (CAN) 8 ordinateur 9 aimant avec pôle Nord et pôle Sud bobines de modulation 11 amplificateurs de gradient 12 bobines de gradient Les différents composants de la figure 2 sont comme suit: 13 source de rayonnement électromagnétique dans la région des micro-ondes ou RF 14 circulateur ou T magique résonateur incorporant un couplage d'iris 16 modulateur haute amplitude permettant de produire une amplitude de modulation dans la plage de 14 à 78 Gcm' 17 détecteur de micro-ondes, par exemple un détecteur à diode 18 détecteur sensible à la phase (PSD) 19 convertisseur analogique-numérique (CAN) 20 ordinateur 21 aimant avec pôle Nord et pôle Sud 22 bobines de modulation
Description détaillée de l'invention
Le fonctionnement du dispositif de la présente invention est décrit
ci-après en détail.
L'échantillon sous investigation est placé à l'intérieur d'un résonateur classique 15 et est orienté de façon externe à l'aide d'un goniomètre (non représenté sur le dessin). Le résonateur 15 est ensuite accordé et est adapté avec la source de fréquence 13 et la modulation
de champ est établie à une amplitude typiquement d'au moins 20 Gauss.
Un profil spectral EPR de l'échantillon est ensuite enregistré au moyen d'un procédé par balayage de champ classique. Le fait de faire varier la fréquence de modulation permet d'optimiser le profil. Le même processus est répété pour obtenir un minimum de 12 profils, chacun avec une orientation différente de l'échantillon. Ces profils sont ensuite traités au moyen d'un procédé classique de reconstruction par projection incluant un décalage, une déconvolution et une rétroprojection afin de générer des images bidimensionnelles ou tridimensionnelles souhaitées. La présente invention propose un dispositif pour une imagerie par
résonance paramagnétique électronique qui comprend un pont de micro-
ondes constitué par une source de rayonnement électromagnétique 13 dans la région des micro-ondes, et des éléments d'atténuation et de déphasage, la sortie de ladite source 13 est connectée à un premier bras d'un circulateur ou T magique 14 dont un autre bras est couplé à un résonateur 15 par l'intermédiaire d'un couplage d'iris, le troisième bras étant connecté à un détecteur de micro-ondes, par exemple un détecteur à diode 17, dont la sortie est connectée à une première entrée d'un détecteur sensible à la phase (PSD) 18 dont une seconde entrée est connectée à une sortie d'un modulateur haute amplitude 16 permettant de produire des amplitudes de modulation de champ importantes d'au moins 20 Gauss, la seconde sortie dudit modulateur 16 est appliquée sur les bobines de modulation 22 associées au résonateur 15, la sortie du PSD 18 étant appliquée sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) 19 dont une sortie est connectée à un ordinateur 20, le résonateur étant placé au centre du champ magnétique entre le pôle nord et le
pôle sud d'un aimant 21.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la source de rayonnement électromagnétique utilisée peut être un klystron, un oscillateur à diode Gunn ou une diode à avalanche par impact et temps
de transit (IMPATT).
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, le
détecteur de micro-ondes utilisé est un détecteur à diode.
Selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention, le résonateur utilisé peut être une structure hélicoïdale à onde lente, un résonateur diélectrique, un résonateur cylindrique, un
résonateur rectangulaire ou un résonateur à fente.
Selon encore un autre mode de réalisation de la présente invention, le moyen permettant d'orienter l'échantillon peut être un
goniomètre réglable manuellement ou commandé par ordinateur.
Selon un mode de réalisation supplémentaire de la présente invention, la réorientation de l'échantillon est mise en oeuvre de façon à faire varier l'angle polaire ou l'angle d'azimut de l'échantillon par rapport
au champ magnétique.
Selon encore un mode de réalisation supplémentaire de la présente invention, le nombre minimum de profils EPR à prendre pour
générer l'image peut être de 12.
Les exemples qui suivent sont présentés à titre d'illustration seulement et par conséquent, ils ne doivent pas être considérés comme
limitant le cadre de la présente invention.
Exemple 1
0,25 ml d'une solution de Cr(V) hmba (hmba = 2-hydroxy-2-acide méthylbutyrique) ont été admis dans deux tubes capillaires d'un diamètre de 2 mm, deux tubes vides d'un diamètre de 3 mm ont été interposés entre lesdits tubes de 2 mm et l'échantillon complet a été placé dans le résonateur à cavité TE102 rectangulaire standard d'un spectromètre EPR Bruker EMX 10/2.7 parallèle à la direction de champ magnétique z, la modulation de champ étant établie à une fréquence de 100 kHz et à une amplitude de 32,18 G, soit l'établissement légal maximum pour ce système. Le profil de l'échantillon a été obtenu. L'échantillon a été ensuite réorienté en utilisant un goniomètre manuel de 15 par rapport à I'axe z et le processus a été répété. De façon similaire, le processus a été répété douze fois en soumettant l'échantillon à une réorientation de chaque fois, d'o ainsi l'obtention de douze profils. Les profils peuvent être traités en utilisant un logiciel IDL pour obtenir une image bidimensionnelle de l'échantillon en conformité avec la morphologie de I'objet fantôme. La figure 3 et la figure 4 représentent respectivement des profils x et z typiques. Le profil x concerne l'échantillon orienté suivant la direction x o tous les tubes présentent la même coordonnée z mais différentes coordonnées x, les axes des tubes étant parallèles les uns aux autres ainsi qu'à y; la direction x est perpendiculaire à la direction de champ magnétique z et elle s'étend dans le plan horizontal. Le profil z concerne l'échantillon orienté suivant la direction z, tous les tubes présentant la même coordonnée x mais des coordonnées z différentes, les axes des tubes étant parallèles les uns aux autres et à y.
Exemple 2
0,25 ml d'une solution de 4-hydroxy-TEMPO (TEMPO = 2,2,6,6-
tétraméthyl piperidine-1-radical oxyl) ont été admis dans deux tubes capillaires courts d'un diamètre de 2 mm, deux tubes vides courts d'un diamètre de 3 mm ont été interposés entre lesdits tubes de 2 mm, et l'échantillon complet a été placé dans un résonateur diélectrique connecté à un spectromètre EPR Bruker EMX 10/2.7 parallèle à la direction de champ magnétique z, la modulation de champ étant établie à une fréquence de 100 kHz et à une amplitude de 32,18 G. Le profil de I'échantillon a été obtenu. L'échantillon a été ensuite réorienté en utilisant un goniomètre manuel de 10 par rapport à l'axe z et le
processus a été répété. De façon similaire, le processus a été répété dix-
huit fois en soumettant l'échantillon à une réorientation de 10 chaque fois, d'o ainsi l'obtention de dix-huit profils. Les profils peuvent être traités en utilisant un logiciel IDL afin d'obtenir une image tridimensionnelle de l'échantillon en conformité avec la morphologie de l'objet fantôme, après montage orthogonal du fantôme suivi par une procédure de rotation similaire à ce qui précède. La figure 5 et la figure 6
représentent respectivement des profils x et z typiques.
Exemple 3 0,25 ml d'une solution de 4-hydroxy-TEMPO ont été admis dans deux tubes capillaires d'un diamètre de 2 mm, deux tubes vides d'un diamètre de 3 mm ont été interposés entre lesdits tubes de 2 mm, et l'échantillon complet a été placé dans un résonateur cylindrique connecté à un spectromètre EPR Bruker EMX 10/2.7 parallèle à la direction de champ magnétique z, la modulation de champ étant établie à une fréquence de 100 kHz et à une amplitude de 32,18 G. Le profil de l'échantillon a été obtenu. L'échantillon a été ensuite réorienté en utilisant un goniomètre manuel de 10 par rapport a l'axe z et le
processus a été répété. De façon similaire, le processus a été répété dix-
huit fois en soumettant l'échantillon à une réorientation de 10 chaque fois, d'o ainsi l'obtention de dix-huit profils. Les profils peuvent être traités en utilisant un logiciel IDL pour obtenir une image bidimensionnelle de l'échantillon en conformité avec la morphologie de l'objet fantôme. La figure 7 et la figure 8 représentent respectivement des
profils x et z typiques.
Les avantages essentiels de la présente invention sont les
suivants.
1. Le processus proposé est un processus beaucoup plus
simple pour une imagerie EPR de substances paramagnétiques.
2. Le dispositif de la présente invention génère des images EPR monodimensionnelles, bidimensionnelles ou tridimensionnelles
sans utiliser de jeux additionnels de bobines de gradient.
3. Aucun agencement n'est requis pour le refroidissement à la différence du système classique d'imagerie EPR avec des bobines de gradient. 4. Il est possible de générer des images EPR monodimensionnelles, bidimensionnelles ou tridimensionnelles sans
utiliser de jeux additionnels d'amplificateurs de gradient.
5. Puisque les bobines de modulation sont typiquement placées dans les parois du résonateur, elles sont plus proches de l'échantillon et elles permettent de générer des champs de modulation plus importants - de même que des gradients - au niveau de l'échantillon par courant unitaire, par comparaison avec le cas avec des bobines de
gradient externes, lesquelles sont montées à l'extérieur du résonateur.
6. La présente invention propose un dispositif pour l'imagerie qui utilise un modulateur haute amplitude avec son gradient intrinsèque,
sur des systèmes de spectromètre/imageurs EPR cw existants.
Claims (7)
1. Dispositif pour une imagerie par résonance paramagnétique électronique caractérisé par l'utilisation d'un modulateur haute amplitude, dans lequel ledit dispositif comprend un pont de micro-ondes constitué par une source de rayonnement électromagnétique (13) dans la région des micro- ondes, et des éléments d'atténuation et de déphasage, la sortie de ladite source (13) est connectée à un premier bras d'un circulateur ou T magique (14) dont un autre bras est couplé à un résonateur (15) par l'intermédiaire d'un couplage d'iris, le troisième bras étant connecté à un détecteur de micro-ondes (17) dont la sortie est connectée à une première entrée d'un détecteur sensible à la phase (PSD) (18) dont une seconde entrée est connectée à une sortie d'un modulateur haute amplitude (16) permettant de produire des amplitudes de modulation de champ importantes d'au moins 20 Gauss, la seconde sortie dudit modulateur (16) est appliquée sur les bobines de modulation (22) qui peuvent être adaptées pour produire des amplitudes de modulation de champ importantes et qui peuvent être associées avec le résonateur (15), la sortie du PSD (18) étant appliquée sur un convertisseur analogique-numérique (CAN) (19) dont une sortie est connectée à un ordinateur (20), le résonateur (15) étant placé au centre
du champ magnétique entre le pôle nord et le pôle sud d'un aimant (21).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement électromagnétique qui est utilisée est choisie parmi le groupe comprenant un klystron, un oscillateur à diode Gunn et
une diode à avalanche par impact et temps de transit (IMPATT).
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le
détecteur de micro-ondes est un détecteur à diode.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les modulations de champ sont activées à des amplitudes élevées
s'inscrivant dans la plage qui est entre 14 et 78 Gauss.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur utilisé est choisi parmi le groupe comprenant une structure hélicoïdale à onde lente, un résonateur diélectrique, un résonateur
cylindrique, un résonateur rectangulaire et un résonateur à fente.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour orienter l'échantillon comprend un goniomètre réglable
manuellement ou commandé par ordinateur.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réorientation de l'échantillon est mise en oeuvre de façon à faire varier I'angle polaire ou l'angle d'azimut de l'échantillon par rapport au champ magnétique.
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