FR2866120A1 - Ligne de transmission et cavite resonante de haute frequence utilisant de telles lignes de transmission, notamment pour la resonance magnetique nucleaire - Google Patents

Abstract

Ligne de transmission et cavité résonante de haute fréquence utilisant de telles lignes de transmission, notamment pour la Résonance Magnétique Nucléaire.Cette ligne de transmission comprend un barreau rectiligne qui est divisé en segments (1), ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, le barreau étant pourvu d'éléments diélectriques (2) qui sont intercalés entre les segments.

Description

LIGNE DE TRANSMISSION ET CAVITÉ RÉSONANTE DE HAUTE

FRÉQUENCE UTILISANT DE TELLES LIGNES DE TRANSMISSION, NOTAMMENT POUR LA RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLEAIRE

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne une ligne de transmission et une cavité résonante de haute fréquence (en anglais high-frequency cavity resonator ), plus particulièrement, une antenne de type cavité résonante de haute fréquence, utilisant de telles lignes de transmission, ces lignes de transmission étant de préférence accordables.

L'invention s'applique notamment aux dispositifs de RMN, c'est-à-dire de Résonance Magnétique Nucléaire (en anglais Nuclear Magnetic Resonance ) et, plus particulièrement, à ceux qui sont destinés aux examens biologiques et médicaux.

Cette cavité résonante de haute fréquence est utilisée pour engendrer un champ appelé champ B1 , qui est un champ électromagnétique de haute fréquence, ou champ radiofréquence (RF), ayant une composante magnétique, afin d'exciter les noyaux des atomes étudiés, c'est-à-dire tous ceux qui sont détectables par RMN, qui se trouvent dans l'objet examiné, placé dans la cavité, puis pour capter le champ radiofréquence très faible qui résulte du phénomène de RMN.

2866120 2 Cette cavité a été étudiée pour exciter et capter plus particulièrement le signal du proton de l'atome d'hydrogène.

Cette cavité résonante de haute fréquence est utilisable dans le domaine de la RMN, c'est-à-dire de la Résonance Magnétique Nucléaire (en anglais Nuclear Magnetic Resonance ), plus particulièrement pour examiner la tête d'un sujet par IRM (Imagerie par Résonance Magnétique, en anglais "Magnetic Resonance Imaging"), mais aussi dans le domaine de la SRM, c'est-à-dire de la Spectroscopie par Résonance Magnétique (en anglais Magnetic Resonance Spectroscopy ).

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une cavité résonante de haute fréquence blindée (en anglais shielded ), du type cage à oiseau (en anglais bird cage ), comprend: - un ensemble de lignes de transmission, - un blindage (en anglais shield ) qui entoure cet ensemble de lignes de transmission, et - une ou plusieurs boucles (en anglais loops ) qui sont intercalées entre l'ensemble de lignes de transmission et le blindage et sont destinées à l'excitation radiofréquence de la cavité résonante et à la détection des signaux de RMN.

À ce sujet, on se reportera aux documents suivants.

[1] US 4746866 (Rôschmann) 30 [2] US 4751464 (Bridges) [3] US 5557247 (Vaughn, Jr.).

[4] Proc. Int. Soc. Mag. Res. Med. 11, 2003, N 2354 (Vaughn).

Ces documents concernent essentiellement des améliorations apportées aux lignes de transmission d'une cavité résonante, prises individuellement ou dans leur ensemble.

Des moyens pour accorder (en anglais tune ) chaque ligne de transmission à la fréquence de travail souhaitée sont généralement formés, dans les dispositifs décrits dans les documents cités, par des moyens mécaniques de réglage du couplage électromagnétique entre les lignes de transmission et le blindage.

Ainsi, le document [1] divulgue une bobine (en anglais coil ) qui est destinée à un appareil d'IRM et formée de lignes de transmission qui s'apparentent aux câbles coaxiaux: chacune de ces lignes comprend un cylindre externe, creux et conducteur, contenant un cylindre interne creux, qui est fait d'un matériau diélectrique et à l'intérieur duquel sont placés deux conducteurs centraux, au moins l'un de ces derniers étant mobile axialement.

Un blindage externe est couplé aux conducteurs centraux par l'intermédiaire des extrémités du cylindre externe, grâce à des contacts glissants.

Le déplacement mécanique du conducteur central mobile a pour effet de modifier la capacité (en anglais capacitance ) de la ligne de transmission, ce qui permet un ajustement de la fréquence de résonance.

Le document [2] décrit une cavité résonante dont les lignes de transmission sont formées de segments de bandes conductrices, entre lesquels sont intercalées des sections d'un matériau diélectrique. Un blindage externe est couplé aux lignes de transmission par l'intermédiaire de capacités qui sont situées aux extrémités de chaque ligne de transmission. L'accord de la cavité résonante est effectué au moyen de fentes réglables, formées dans le blindage externe.

Le document [3] utilise des lignes de transmission, du genre de celles qui sont divulguées par le document [1], pour former une cavité résonante de type cage à oiseau. En outre, ce document décrit un système mécanique permettant d'accorder simultanément plusieurs lignes de transmission.

Les cavités résonantes connues par les documents cités présentent l'inconvénient de ne pas fonctionner convenablement lorsqu'on les utilise à des valeurs élevées de champ magnétique, de l'ordre de 9 T ou plus, et/ou à des fréquences élevées, de l'ordre de 400 MHz ou plus, en vue d'augmenter le rapport signal/bruit.

Par exemple, des expériences et une simulation numérique du résonateur décrit dans le document [4] par la méthode des éléments finis (en anglais finite element method ) montrent qu'un tel résonateur est limité à des fréquence de résonance du proton (fréquences de Larmor) qui sont inférieures à environ 400 MHz, ou à des champs magnétiques inférieurs à 4 teslas, pour des volumes cylindriques de 27 cm de diamètre et 25 cm de long, de tels volumes étant aptes à contenir la tête d'un sujet.

En effet, pour augmenter la fréquence, les conducteurs centraux des lignes de transmission doivent être complètement retirés, ce qui provoque des pertes par rayonnement ainsi qu'une mauvaise homogénéité du champ B1 produit.

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour objet une cavité résonante de haute fréquence, qui ne présente pas les inconvénients des cavités résonantes connues, mentionnées plus haut.

Une cavité conforme à l'invention, est une amélioration de ces dernières, grâce à des lignes de transmission de structure originale et à la combinaison de ces lignes de transmission avec le blindage que comporte la cavité.

Des techniques de simulation numérique, qui sont particulièrement bien adaptées à ce type d'invention, permettent d'optimiser les paramètres de cette cavité.

On propose en outre un système d'accord dont peuvent être pourvues les lignes de transmission.

Un aspect essentiel de l'invention réside dans la structure des lignes de transmission, cette structure différant de celle que l'on trouve dans le document [1]. En effet, dans l'invention, une ligne de transmission n'est pas une structure coaxiale de matériaux conducteurs alternant avec des matériaux diélectriques: il s'agit d'un barreau rectiligne et segmenté qui est (ou est rendu) électriquement conducteur et pourvu de minces éléments diélectriques, intercalés entre les segments du barreau.

Certes, des principes analogues sont utilisés dans le domaine des accélérateurs de particules à ondes progressives (en anglais travelling wave particle accelerators ) mais les structures qui font l'objet de l'invention sont tout à fait originales dans le domaine de la RMN, qui est très éloigné du précédent.

À l'aide d'une simulation numérique, on ajuste l'épaisseur des éléments diélectriques, le matériau constitutif de ces derniers et le nombre de ces éléments par ligne de transmission, ainsi que le nombre de telles lignes dans la cavité résonante, en vue d'adapter au mieux les paramètres de cette dernière (notamment le facteur de qualité, la fréquence de travail et l'homogénéité du champ) et d'obtenir un ensemble de lignes dont les dimensions sont compatibles avec le volume de la cavité.

En outre, la fréquence de travail de cette dernière peut être finement ajustée par modification de l'épaisseur des éléments diélectriques, par exemple par déformation de ces derniers.

De plus, au lieu d'être un simple cylindre fermé en une extrémité et pourvu d'une ouverture en l'autre extrémité, pour permettre l'introduction d'un objet - en particulier la tête d'un sujet - dans la cavité, le blindage peut comporter une section cylindrique réentrante au niveau de l'ouverture.

Une telle section permet avantageusement de réduire les pertes d'énergie électromagnétique par rayonnement au niveau de l'ouverture et limite les perturbations de la cavité par l'objet, en particulier la tête.

On peut concevoir une cavité résonante conforme à l'invention, capable de fonctionner sous un champ magnétique de 11,7 T, à 500 MHz, avec une homogénéité volumique meilleure que 5% sur un volume cylindrique de 190 mm de diamètre, équivalent à une tête.

En outre, des lignes de transmission ayant la structure originale mentionnée plus haut sont utilisables dans d'autres domaines que l'IRM, par

exemple la SRM.

De façon précise, la présente invention a pour objet une ligne de transmission, caractérisée en ce qu'elle comprend un barreau rectiligne qui est divisé en segments, ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, le barreau étant pourvu d'éléments diélectriques qui sont intercalés entre les segments.

De préférence, les segments sont faits d'un matériau diélectrique dont la surface est rendue 25 électriquement conductrice.

Selon un mode de réalisation préféré de la ligne de transmission objet de l'invention, cette ligne est pourvue de moyens d'accord en fréquence, ces moyens d'accord étant aptes à modifier l'épaisseur des éléments diélectriques.

De préférence, les éléments diélectriques sont élastiquement déformables.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les segments et les éléments diélectriques comportent des perçages, la ligne de transmission comprenant en outre des pièces de liaison diélectriques et rectilignes qui traversent les perçages et sur lesquelles les segments et les éléments diélectriques sont aptes à coulisser.

La présente invention concerne aussi une cavité résonante de haute fréquence comprenant un ensemble de lignes de transmission et un blindage qui entoure ces lignes de transmission, ces lignes de transmission étant conformes à la ligne de transmission objet de l'invention.

De préférence, les lignes de transmission (ou barreaux) sont sensiblement parallèles et régulièrement réparties sur une surface cylindrique.

Selon un mode de réalisation particulier, la cavité résonante de haute fréquence comprend deux extrémités qui sont respectivement ouverte et fermée.

Dans ce cas, le blindage peut comporter une partie réentrante du côté de l'extrémité ouverte de la cavité.

La présente invention concerne aussi un appareil de résonance magnétique nucléaire comportant une cavité résonante de haute fréquence conforme à l'invention.

9 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique de la géométrie d'un guide d'onde à conducteurs multiples, conforme à l'invention, et illustre également des modes de propagation d'ondes électromagnétiques dans ce guide, - les figures 2A et 2B illustrent schématiquement, en coupe longitudinale (figure 2A) et en coupe transversale (figure 2B), un exemple d'une antenne, ou cavité résonante, conforme à l'invention pour la simulation numérique, - les figures 3A et 3B illustrent schématiquement, en coupe transversale (figure 3A) et en coupe longitudinale (figure 3B), le champ magnétique transverse B1 à 500 MHz dans l'exemple d'antenne des figures 2A et 2B, - les figures 4A, 4B et 4C illustrent schématiquement, en coupe transversale (figure 4A) et en coupe longitudinale suivant deux plans orthogonaux (figures 4B et 4C), des courbes de niveau de l'amplitude du champ B1 en polarisation linéaire, la figure 5 représente les variations de l'amplitude normalisée A du champ BI suivant deux axes orthogonaux x (courbe I) et y (courbe II), au centre de l'exemple d'antenne conforme à l'invention, en partant de l'axe z de l'antenne, qui est orthogonal aux axes x et y, les axes x, y et z ayant un point d'intersection 0, - les figures 6A, 6B et 6C illustrent schématiquement, en coupe transversale (figure 6A) et en coupe longitudinale suivant deux plans orthogonaux (figures 6B et 6C), des courbes de niveau de l'amplitude du champ B1 en polarisation circulaire, les figures 7A et 7B sont respectivement une vue en perspective schématique et une vue en coupe longitudinale schématique d'un exemple de l'antenne objet de l'invention, seuls 4 des 32 barreaux que comporte cette antenne étant représentés, - les figures 8A et 8B sont des vues en perspective schématique d'éléments de l'antenne des figures 7A et 7B, pourvus d'un revêtement métallique, - les figures 9A et 9B sont des vues en perspective schématique d'éléments diélectriques de cette antenne, les figures 10A et 10B sont des vues en 20 perspective schématique d'une pastille déformable (figure 10A) et d'une pièce de liaison (figure 10B) utilisées dans cette antenne, et - les figures 11A et 11B sont des vues en perspective schématique de tronçons qui sont pourvus d'un revêtement métallique et forment les barreaux de cette antenne.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La réalisation d'une cavité résonante de haute fréquence, appelée également bobine RF volumique, conçue pour examiner la tête d'un sujet par RMN, devient critique lorsque la longueur d'onde effective du champ RF devient proche de la taille de l'échantillon (tête). La fréquence de travail de la cavité doit être ajustée à la fréquence de Larmor qui est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique longitudinal et statique (généralement noté BO) de l'appareillage d'IRM.

Dans un mode de réalisation particulier, l'invention est destinée à un système d'IRM fonctionnant à 11,7 T. Par conséquent, la fréquence de Larmor est de 500 MHz pour le noyau (en anglais nucleus ) étudié par IRM, en l'occurrence le proton de l'atome d'hydrogène.

Dans cette gamme de fréquences, les pertes électromagnétiques par rayonnement et dans l'échantillon augmentent et dégradent de ce fait le facteur de qualité de la cavité ainsi que l'homogénéité du champ transverse B1. La conception d'une bobine RF conforme à l'invention doit répondre à un double défi, à savoir conserver un facteur de qualité et une homogénéité de champ transverse B1 qui soient acceptables.

La présente invention propose une nouvelle conception de la cavité résonante, permettant à cette dernière de fonctionner à 500 MHz et audelà (ces valeurs étant données à titre d'exemple, d'autres valeurs étant possibles).

Cette conception doit satisfaire à une contrainte dimensionnelle forte, imposée par la réalisation de la bobine qui engendre le champ BO dans le système d'IRM et par celle des bobines de gradient (en anglais gradient coils ), autres composants essentiels du système d'IRM.

Dans un exemple, le diamètre (respectivement la longueur) de la bobine RF volumique est limité à environ 350 mm (respectivement 300 mm).

Le principe de base de la conception de la cavité résonante conforme à l'invention consiste à réaliser un résonateur de type Â/2 ou)/4 à partir d'une ligne de transmission. La contrainte portant sur la dimension transverse et la fréquence de fonctionnement écarte définitivement la possibilité d'utiliser une ligne à un seul conducteur, quelle que soit la géométrie de sa section, en raison de la fréquence de coupure (en anglais cut-off frequency ). Ainsi, le choix d'une ligne à conducteurs multiples s'impose.

Compte tenu de la géométrie des autres composants du système (bobines de gradient et bobine créant le champ BO) et de la géométrie de l'échantillon (tête), le choix s'oriente vers une ligne comportant une enveloppe conductrice cylindrique E (voir la figure 1), dont l'axe a la référence z sur la figure 1, cette enveloppe (blindage) entourant plusieurs autres conducteurs C (ou barreaux conducteurs rectilignes) qui sont parallèles à l'axe z et uniformément répartis sur un cylindre (du point de vue géométrique) dont l'axe est aussi l'axe z. Sur la figure 1, les références x et y représentent des axes qui sont orthogonaux l'un à l'autre et à l'axe z. L'analyse des modes de propagation de type TEM, en fonction du nombre de conducteurs C et de la dimension et du positionnement de ces derniers par rapport à l'enveloppe E, a fait l'objet d'une recherche propre à la présente invention, dans le but de créer, par superposition de plusieurs modes (car tous les modes TEM possèdent la même constante de propagation), une distribution de champ B1 la plus uniforme possible dans une direction transverse.

Aucune approche analytique connue ne permet de définir ces paramètres (nombre de conducteurs et dimension et positionnement de ces derniers par rapport à l'enveloppe).

Seule une étude par simulation numérique, spécifique à la présente invention, permet d'obtenir les paramètres d'une cavité résonante conforme à l'invention, en particulier l'ensemble des paramètres adéquats de la section d'une ligne de transmission: - diamètre de l'enveloppe externe E 344 mm, - diamètre des conducteurs internes C: 20 14 mm, et - position de ces conducteurs C par rapport à l'axe z de la cavité : 147 mm.

On peut faire varier chacun de ces paramètres dans un intervalle dont l'amplitude est de l'ordre de 0,5 mm et qui est centré sur la valeur lui correspondant ci-dessus, sans modifier de manière significative la distribution du champ des modes de propagation.

Le principe de la simulation pour l'obtention des paramètres adéquats consiste à étudier systématiquement la distribution du champ magnétique de tous les modes où ce dernier est parallèle à l'axe y (figure 1). Pour cela, un algorithme de recherche de modes propres est appliqué sur la section du guide en 2 dimensions, avec une condition limite électrique le long de l'axe y et une condition limite magnétique le long de l'axe x. Cette modélisation est équivalente à une excitation du guide (cavité) par une boucle de couplage magnétique, placée par exemple à l'abscisse +x entre l'enveloppe E et un des conducteurs C, et dont la surface est perpendiculaire à l'axe y. Huit modes de propagation sont ainsi obtenus. Ils sont notés M1,M2,...,M8 et schématiquement illustrés par la figure 1.

Lorsque les dimensions des éléments du guide ne sont pas déterminées correctement, la superposition constructive et destructive des modes produit une distribution de champ magnétique très inhomogène.

Sur la figure 1, les modes M1, M7 et M8 sont excités préférentiellement par la boucle. Le mode utile étant le mode M8, la géométrie a été déterminée de telle sorte que la superposition des modes Ml et M7 ne détériore pas son homogénéité mais tende au contraire à l'améliorer.

La longueur d'onde des modes TEM, qui est de 60 cm à 500 MHz, n'exclut pas le principe d'un résonateur en)L/2, compatible avec la contrainte sur la longueur de la cavité. Cependant, les conditions aux limites devaient être identiques aux deux extrémités de la cavité, l'une de ces extrémités étant nécessairement ouverte dans le cas d'une bobine destinée à examiner la tête. Mais deux ouvertures induiraient trop de pertes par rayonnement à 500 MHz et dégraderaient drastiquement le facteur de qualité de la cavité.

La conception s'oriente donc vers un résonateur en À/4. Or, compte tenu de la longueur d'onde, ce résonateur ne mesurerait que 150 mm de long et l'homogénéité longitudinale du champ à l'emplacement de l'échantillon (la tête dans l'exemple considéré) deviendrait inacceptable.

Conformément à la présente invention, on propose une cavité similaire à un résonateur en iî./4, capable de résonner à 500 MHz et au-delà, tout en assurant une homogénéité acceptable dans la direction longitudinale (z) et dans une direction transverse.

Les auteurs des dispositifs décrits dans les divers documents cités plus haut utilisent des structures coaxiales ajustables en guise de conducteurs multiples. Chacune de ces structures constitue une capacité répartie variable grâce à la mobilité du conducteur interne de la ligne coaxiale que constitue cette structure. En augmentant cette capacité, il a été possible d'obtenir une cavité à très basse fréquence de résonance, à savoir 170 MHz ou moins.

Par le retrait des conducteurs internes, la fréquence d'une cavité du genre de celle qui est décrite dans le document [3] peut être augmentée, le cas limite étant celui dans lequel tout le conducteur est retiré. On retrouve alors une section analogue à celle que l'on voit sur la figure 1.

Compte tenu des observations faites au sujet des résonateurs),/2 et 2/4, on comprend ainsi la raison pour laquelle les cavités du genre de celle qui est décrite dans le document [3] ne sont pas faites pour des applications à l'IRM pour l'homme au-delà de 400 MHz.

Un aspect innovant d'une cavité résonante conforme à la présente invention réside dans l'introduction de discontinuités diélectriques sur les conducteurs internes cylindriques faisant office de capacités discrètes, afin d'obtenir un résonateur de type X1./4, de préférence sur une longueur de 300 mm.

On met ainsi en uvre une technique utilisée dans un domaine qui est très éloigné non seulement de la conception des antennes mais encore des applications de la RMN, à savoir le domaine des accélérateurs de particules.

En effet, dans les structures accélératrices à ondes progressives (en anglais travelling waves ), des obstacles tels que des disques percés, disposés régulièrement dans un guide d'onde circulaire, permettent de diminuer la vitesse de phase (en anglais phase velocity ) et de créer des bandes passantes (en anglais "pass-band") et des bandes de coupure (en anglais "stop-band"). La longueur d'onde de propagation dans les bandes passantes est d'autant plus grande que l'on s'approche d'une bande de coupure.

Cependant, l'efficacité d'une telle approche dans le cas des bobines RF volumiques n'était pas évidente. Malgré les obstacles, le mode de propagation dans les structures accélératrices reste un mode de type TM.

Dans le cas d'un guide à conducteurs multiples, où des modes dégénérés se propagent, l'introduction d'obstacles pourrait fortement perturber ces modes.

Seule l'utilisation d'un code numérique approprié permet de valider cette approche. Ce code doit être en mesure de mailler une structure complexe en 3 dimensions et comportant un grand nombre de constituants disjoints. Il permet de calculer la fréquence de résonance de l'antenne ainsi que la distribution du champ électromagnétiqe en 3 dimensions. Un code basé sur la méthode des intégrations finies convient à une telle étude.

Les figures 2A et 2B illustrent schématiquement un modèle d'une antenne conforme à l'invention pour la simulation numérique en vue de l'optimisation de cette dernière. On voit encore les trois axes orthogonaux x, y et z, où z est l'axe longitudinal de l'antenne. Ces trois axes se coupent en un point 0 qui est au centre de l'antenne. On conservera ces notations dans la suite de la description.

Sur la figure 2A, la référence T désigne la zone d'intérêt pour l'examen par RMN, cette zone étant 25 matérialisée par une sphère (vue en coupe).

L'antenne, ou cavité résonante, conforme à l'invention comprend une enveloppe électriquement conductrice e (blindage) dont une extrémité est ouverte et dont l'autre extrémité est fermée. L'antenne comprend aussi, dans l'enveloppe, des conducteurs électriques internes c (ou barreaux rectilignes conducteurs) qui sont parallèles à l'axe z de l'enveloppe.

Comme on le voit sur les figures 2A et 2B, chaque conducteur interne consiste en une juxtaposition axiale de tronçons, ou segments, conducteurs 1, qui sont électriquement isolés par des pastilles diélectriques 2 constituant chacune un intervalle (en anglais gap ) pour les conducteurs.

Un autre avantage important de l'invention est lié à la possibilité de moduler la position des intervalles, que comporte un conducteur, le long de ce conducteur, pour étendre l'homogénéité du champ B1 dans la direction longitudinale (z). L'optimisation de la distance et de la position des intervalles a fait l'objet d'une modélisation en trois dimensions et de nombreuses simulations numériques.

Un exemple de réalisation comporte 8 intervalles par conducteur, comme on le voit sur la figure 2A. L'écartement des intervalles peut varier de 0,5 mm à 2 mm pour un diélectrique fait de polyéthylène. Par usinage des pastilles diélectriques dans une forme qui permet leur déformation élastique, la cavité résonante peut être accordée en fréquence par une action mécanique simultanée sur l'ensemble de tronçons conducteurs, en compressant ces pastilles.

La forme mentionnée ci-dessus est par exemple un disque bombé ou une calotte sphérique.

Enfin, une couronne métallique 3 de 50 mm de haut a été aménagée du côté de l'ouverture que comporte l'antenne en l'une de ses extrémités, afin de limiter le rayonnement et d'améliorer le facteur de qualité de l'antenne.

Les figures 3A et 3B montrent que la structure du mode M8 de la figure 1 a été conservée après l'introduction des pastilles diélectriques 2.

L'homogénéité du champ B1 ne pouvant être assurée que dans une seule direction transverse (voir les figures 4A à 4B et 5), on fait fonctionner la cavité résonante conforme à l'invention avec une polarisation circulaire (voir les figures 6A, 6B et 6C), grâce à 4 dispositifs d'excitation (non représentés) qui sont placés à 90 degrés les uns par rapport aux autres en +x, -x, +y et -y, et forment deux paires que l'on alimente en quadrature à l'aide de deux diviseurs de puissance et de deux circuits hybrides (non représentés).

Dans ce qui suit, on donne des détails sur la structure et le fonctionnement d'un exemple de l'antenne, ou cavité résonante, objet de l'invention, en faisant référence aux figures 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B, 10A, 10B, 11A et 11B. Cette antenne se compose d'éléments électriquement conducteurs et d'éléments faits d'un matériau diélectrique.

Afin de minimiser les effets des courants qui sont induits par les bobines de gradient de l'appareil d'IRM dans lequel l'antenne est destinée à être montée, les éléments conducteurs sont constitués d'éléments faits d'un matériau diélectrique rigide, par exemple le polyéthylène de haute densité, et recouverts, par CVD, c'est-à-dire par dépôt chimique en phase vapeur (en anglais chemical vapor deposition ), d'une couche métallique ayant une épaisseur à peine supérieure à l'épaisseur de peau (en anglais skin depth ) de l'onde RF, en tenant compte de la conductivité électrique.

Rappelons que: les figures 7A et 7B sont respectivement une vue externe et une vue en coupe d'un exemple de l'antenne objet de l'invention, seuls 4 des 32 barreaux que comporte l'antenne de cet exemple étant représentés; les figures 8A et 8B montrent les éléments conducteurs de l'antenne de l'exemple (éléments avec revêtement métallique) ; les figures 9A et 9B montrent les éléments diélectriques de cette antenne; les figures 10A et 10B montrent respectivement une pastille déformable et une pièce de liaison des segments; et les figures 11A et 11B montrent des tronçons avec revêtement métallique formant les barreaux de cette antenne. Les éléments conducteurs de l'antenne sont: le corps 5 de cette antenne,

les tronçons 1 qui forment les barreaux de l'antenne, une couronne réentrante 3, un disque coulissant 6 qui ferme une extrémité de l'antenne, les conducteurs internes 10 des lignes coaxiales de couplage, et des plongeurs cylindriques 8 qui referment les boucles de couplage magnétique formées des éléments référencés 8, 9 et 10 - voir les figures 7A, 7B, 8A et 8B.

Les éléments en matériau diélectrique (non métallisés) peuvent être de deux types, le premier étant d'une grande rigidité pour le disque rotatif 7 qui permet l'accord en fréquence de l'antenne et pour les pièces de liaison 4, le second étant d'une grande élasticité pour les pastilles bombées 2.

La couronne réentrante 3, qui ne supporte pas d'effort mécanique, peut être collée sur le corps 5 de l'antenne.

Les tronçons 1 aux extrémités de chaque barreau sont vissés, d'un côté, sur le corps 5 dans des trous taraudés 5b prévus à cet effet et, de l'autre côté, sur le disque coulissant 6, au niveau de trous taraudés 6a de ce disque.

Les autres tronçons 1 sont reliés entre eux par une pièce de liaison 4 en prenant en sandwich une pastille bombée 2 pour former une capacité variable. L'empreinte de la pièce de liaison dans les tronçons doit être soit traversante, soit plus longue que cette pièce de liaison. Le jeu qui en résulte permet de comprimer la pastille - voir les figures 10A, 10B, 11A et 11B.

On voit que chaque pastille 2 (respectivement chaque tronçon 1) comporte un perçage 12 (respectivement 14) apte à être traversé par la pièce de liaison.

Vus en coupe, cette pièce et les perçages ont la même forme ( trois branches à 120 les unes des autres dans l'exemple), la pièce ayant une taille légèrement inférieure à celle des perçages pour pouvoir coulisser dans ces perçages.

Dans la mesure où les pastilles diélectriques 2 ont été introduites pour que l'antenne puisse résonner à 500 MHz sur une longueur donnée, il est aisé d'imaginer une méthode qui consiste à modifier simultanément la capacité de tous les intervalles (en anglais gaps ) pour accorder l'antenne.

Cette modification est obtenue en faisant varier soit l'écartement de l'intervalle, soit la constante diélectrique de la pastille, soit les deux. Dans le premier cas, la sensibilité donnée par la simulation est de 144 MHz/mm pour des pastilles en Téflon (marque déposée) (dont la permittivité relative vaut 2,1) d'épaisseur égale.

Une sensibilité de 82 MHz, par unité de permittivité relative, a été obtenue pour un intervalle de 1 mm d'écartement, dans le second cas.

Une réalisation de la combinaison de ces deux principes a été adoptée (voir les figures 7A et 7B).

Chaque pastille 2 en matériau diélectrique, d'épaisseur uniforme, possède une forme bombée pouvant ainsi subir une compression. Elle est percée en son centre d'un motif (voir les figures 10A et 10B) correspondant à la section d'une pièce de liaison 4 à 3 bras, également en matériau diélectrique mais plus rigide.

De chaque côté de la pastille 2, les deux tronçons de barreau 1 doivent présenter une empreinte négative de la pièce de liaison soit traversante, soit de plus grande longueur (jeu). Ainsi, ces pièces forment un intervalle capacitif qui est rendu variable par une compression de la pastille par les tronçons sans torsion.

Comme la fréquence de résonance des modes, et notamment le mode dipolaire, diminue avec l'augmentation de la capacité des intervalles, une compression de la pastille 2 combine deux effets qui s'ajoutent; la réduction de l'écartement et l'augmentation de la constante diélectrique effective de l'intervalle participent en effet tous deux à l'augmentation de la capacité, et donc à un abaissement de la fréquence de résonance.

La compression est produite par le déplacement du disque coulissant 6 sur lequel s'appuie le disque rotatif 7 dont le bord comporte un filetage 7b qui s'adapte sur le filetage 5d du corps de l'antenne.

Deux poignées 7a ont été montées sur le disque rotatif pour en faciliter le maniement. Le déplacement du disque coulissant 6 est guidé par des saillies 6b qui sont aménagées sur son bord et s'emboîtent dans les rainures 5c (voir les figures 8A et 8B) prévues sur le corps 5 de l'antenne dans l'alignement des renforts 5a.

Ces renforts sont nécessaires du fait que l'épaisseur de la paroi latérale du corps 5 est limitée à 5 mm par la construction de bobines de gradient.

Néanmoins, celle-ci autorise l'aménagement, par endroits, de renforts du fait que les bobines sont constituées d'éléments cylindriques disposés sur un cercle, ce qui laisse des interstices où les renforts 5a peuvent se loger.

L'alimentation en quadrature de l'antenne est réalisée au moyen de 4 entrées coaxiales dont le conducteur externe 5e est solidaire du corps de l'antenne 5. Le conducteur interne est connecté à un tronçon 1 d'un barreau (voir la figure 7) et isolé du conducteur externe par un manchon électriquement isolant 9.

L'impédance caractéristique de la ligne a 5 été choisie égale à 50 ohms.

Afin de garder un rapport de maille raisonnable et une précision de calcul satisfaisante pour le couplage, les dimensions de la ligne ont été augmentées plus qu'il n'est nécessaire pour véhiculer la puissance RF moyenne et la puissance RF crête.

Les diamètres intérieur et extérieur de la ligne sont respectivement de 4, 2 mm et 14 mm.

Un plongeur (c'est-à-dire un élément conducteur ou rendu conducteur, qui pénètre dans l'antenne, au niveau de l'espace entre l'enveloppe E et les conducteurs C) cylindrique 8, de 7 mm de diamètre, dont l'axe se situe à une distance variable LC de l'axe du conducteur interne 10, referme la boucle de couplage magnétique à travers un intervalle capacitif de 1,4 mm d'écartement.

Cette méthode de couplage couvre une plage de facteur de qualité extérieur de 500 à 50 en faisant varier LC de 20 mm à 55 mm. Elle présente en outre l'avantage de ne pas modifier la fréquence de résonance sur cette plage. L'écartement de l'intervalle capacitif entre le plongeur et le barreau ne produit qu'une très faible variation du coefficient de couplage pour des valeurs entre 1 mm et 2 mm.

Enfin, les deux entrées diamétralement opposées forment une paire alimentée en phase par une source RF (non représentée) et les deux autres entrées, situées à 90 degrés des premières, forment une seconde paire qui est alimentée en quadrature (déphasage de 90 degrés) par rapport à la première paire.

L'invention décrite ci-dessus ne se limite pas aux modes de réalisation décrits, ni aux valeurs numériques des exemples précédents. L'invention concerne également tout type de dispositif similaire, de dimensions différentes, avec des valeurs numériques adaptées.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Ligne de transmission, caractérisée en ce qu'elle comprend un barreau rectiligne qui est divisé en segments (1), ces segments étant électriquement conducteurs ou rendus électriquement conducteurs, le barreau étant pourvu d'éléments diélectriques (2) qui sont intercalés entre les segments.

2. Ligne de transmission selon la revendication 1, dans laquelle les segments (1) sont faits d'un matériau diélectrique dont la surface est rendue électriquement conductrice.

3. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, cette ligne étant pourvue de moyens d'accord (4, 6, 7) en fréquence, ces moyens d'accord étant aptes à modifier l'épaisseur des éléments diélectriques (2).

4. Ligne de transmission selon la revendication 3, dans laquelle les éléments diélectriques (2) sont élastiquement déformables.

5. Ligne de transmission selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans laquelle les segments (1) et les éléments diélectriques (2) comportent des perçages (12, 14), la ligne de transmission comprenant en outre des pièces de liaison (4) diélectriques et rectilignes qui traversent les 15 perçages et sur lesquelles les segments et les éléments diélectriques sont aptes à coulisser.

6. Cavité résonante de haute fréquence comprenant un ensemble de lignes de transmission (c) et un blindage (e) qui entoure ces lignes de transmission, ces lignes de transmission étant conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 5.

7. Cavité résonante de haute fréquence selon la revendication 6, dans laquelle les lignes de transmission sont sensiblement parallèles et régulièrement réparties sur une surface cylindrique.

8. Cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, comprenant deux extrémités qui sont respectivement ouverte et fermée.

9. Cavité résonante de haute fréquence selon la revendication 8, dans laquelle le blindage comporte une partie réentrante (3) du côté de l'extrémité ouverte de la cavité.

10. Appareil de résonance magnétique nucléaire comportant une cavité résonante de haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 6 à 15 20 9.