FR3003958A1 - Sonde et appareil pour resonance magnetique nucleaire, bobine a radiofrequence utilisable dans une telle sonde et procede de generation d'un champ magnetique a radiofrequence utilisant une telle bobine. - Google Patents

Abstract

Sonde pour résonance magnétique nucléaire comportant au moins une bobine à radiofréquence (BRF3) caractérisé en ce que ladite bobine à radiofréquence comprend un premier enroulement hélicoïdal (E1 "') présentant des spires (S) inclinées d'un angle α différent de zéro et de 90° par rapport à un axe (z) et un deuxième enroulement hélicoïdal (E2'"), coaxial audit premier enroulement, présentant des spires inclinées d'un angle -a par rapport audit axe. De préférence lesdits enroulements hélicoïdaux présentent un rapport longueur sur diamètre compris entre 1 et 10 et un nombre de spire compris entre 1 et 25. Appareil pour résonance magnétique nucléaire comprenant une telle sonde. Procédé de génération d'un champ magnétique à radiofréquence au moyen d'une telle bobine.

Description

SONDE ET APPAREIL POUR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE, BOBINE A RADIOFREQUENCE UTILISABLE DANS UNE TELLE SONDE ET PROCEDE DE GENERATION D'UN CHAMP MAGNETIQUE A RADIOFREQUENCE UTILISANT UNE TELLE BOBINE L'invention porte sur une sonde pour résonance magnétique nucléaire et sur un appareil pour résonance magnétique nucléaire comprenant une telle sonde. L'invention porte également sur une bobine à radiofréquence, pouvant notamment être utilisée dans une telle sonde, ainsi que sur un procédé de génération d'un champ magnétique à radiofréquence. Une bobine et un procédé de génération d'un champ magnétique à radiofréquence selon l'invention peuvent être utilisés en résonance magnétique nucléaire, mais également pour d'autres applications, par exemple pour le confinement des plasmas. D'une manière générale on entend par « radiofréquence » 15 toute fréquence comprise entre 3 kHz et 300 GHz, plus particulièrement toute fréquence comprise entre 300 kHz et 3 GHz et plus particulièrement encore toute fréquence comprise entre 1 MHz et 1 GHz. On entend par « appareil pour résonance magnétique nucléaire » un appareil de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire 20 (RMN) et/ou d'imagerie pour résonance magnétique nucléaire (IRM). On entend par « sonde pour résonance magnétique nucléaire)> la partie d'un appareil pour résonance magnétique nucléaire destinée à générer un champ magnétique à radiofréquence pour exciter les spins nucléaires d'un échantillon et/ou pour détecter un champ magnétique à 25 radiofréquence émis par la désexcitation desdits spins nucléaires. Une telle sonde comprend généralement un circuit résonant de type LC incluant une bobine qui assure le couplage avec un champ magnétique à radiofréquence externe, ainsi qu'un circuit d'adaptation d'impédance. On entend par « bobine » un élément constitué d'un ou 30 plusieurs enroulements d'un fil, câble ou ruban conducteur. On entend par « enroulement » un ensemble de spires, ou boucles, d'un même fil, câble ou ruban conducteur, sans courts-circuits.

Les aimants supraconducteurs utilisés dans des expériences de RMN et IRM ont une géométrie cylindrique et produisent un champ magnétique, généralement stationnaire, orienté le long de l'axe du cylindre (champ magnétique « axial », « longitudinal », ou encore « principal »). Ce champ magnétique polarise les spins nucléaires des atomes de l'échantillon à l'étude. Cela signifie qu'il y a une différence de population (communément appelé polarisation) entre les niveaux d'énergie Zeernan supérieur et inférieur. Des transitions entre ces nivaux sont excitées à l'aide d'un champ magnétique à radiofréquence (RF) perpendiculaire au champ magnétique axial ; en 10 variante, un champ magnétique RF est utilisé pour exciter l'aimantation de Des antennes (bobines) conçues de manière appropriée génèrent un tel champ magnétique RF, dont l'orientation peut ne pas être perpendiculaire au champ magnétique axial, mais doit nécessairement 15 comprendre une composante perpendiculaire. Plus la composante perpendiculaire du champ RF par unité de courant est élevée, plus grande est l'efficacité de l'excitation et, par réciprocité, plus grand est le rapport signal sur bruit (SNR) du signal de résonance magnétique - on parle de « sensibilité » de la bobine. L'uniformité spatiale (homogénéité) du champ RF à l'intérieur de 20 la bobine est également très importante dans les expériences de RMN et peut être crucial dans des expériences d'IRM. L'antenne la plus répandue, et qui fournit les meilleures performances en termes d'intensité et d'homogénéité du champ RF, est une simple bobine solénoïdale, à un seul enroulement. Cependant, une telle 25 bobine génère un champ magnétique parallèle à son axe, et doit donc être agencée perpendiculairement au champ magnétique principal. Cela signifie que l'échantillon ne peut être inséré « par le haut » de l'aimant supraconducteur (c'est-à-dire suivant une direction axiale) et ne peut être mis en rotation autour de l'axe longitudinal. Or, une telle mise à rotation de 30 l'échantillon est très utile pour améliorer la résolution de la spectroscopie RMN, notamment dans le cas d'un échantillon liquide.

D'autres bobines RF communes comprennent les paires de Helmholtz ou des bobines en forme de selle (« saddle Golfs »), mais elles offrent des performances moindres du champ RF. Le principal avantage de la bobine en forme de selle est qu'elle est enroulée sur une surface cylindrique 5 et peut produire un champ magnétique RF qui est orienté perpendiculairement à l'axe de ce cylindre. L'axe d'une telle bobine peut donc être aligné avec la direction du champ magnétique principal, ce qui permet l'introduction de l'échantillon suivant cette direction et sa mise en rotation autour d'elle. Même si sa sensibilité est moins bonne que celle d'une bobine solénoïdale, une 10 bobine en forme de selle fournit une homogénéité spatiale assez bonne et une certaine commodité d'utilisation. Pour ces raisons, la bobine en forme de selle est la plus couramment utilisée dans les expériences de RMN à l'état liquide. En outre, elle présente une faible inductance et une résistance réduite par rapport à d'autres types de bobines, ce qui est avantageux pour les 15 applications à haute fréquence. Dans les systèmes d'IRM on utilise d'autres géométries de bobines pour générer un champ magnétique perpendiculaire à l'axe longitudinal du système (et donc au champ magnétique principal). On peut citer, à titre d'exemples non limitatifs, les bobines à cage d'oiseau et les 20 bobines Alderman-Grant. Elles offrent de plus grands volumes d'homogénéité, au détriment de la sensibilité et au prix d'une inductance plus élevée. L'invention vise à surmonter les inconvénients précités de l'art antérieur. Plus précisément, l'invention vise à procurer une sonde pour 25 résonance magnétique nucléaire présentant une grande sensibilité et une grande homogénéité du champ magnétique à radiofréquence, tout en permettant une introduction de l'échantillon selon une direction parallèle à l'axe longitudinal du système, ainsi qu'un appareil de résonance magnétique nucléaire (RMN ou IRM) pourvu d'une telle sonde. 30 L'invention vise également à procurer une bobine permettant la génération efficace d'un champ magnétique à radiofréquence très homogène et présentant une orientation perpendiculaire à l'axe de ladite 3003 95 8 4 bobine. Une telle bobine peut notamment être utilisée dans une sonde selon L'invention vise également à procurer un procédé efficace pour la génération d'un champ magnétique à radiofréquence très homogène, 5 tout en permettant d'accéder à une région d'espace où est localisé ce champ par une direction perpendiculaire à ce dernier. Un tel procédé peut notamment être mis en oeuvre au moyen d'une bobine ou d'une sonde selon l'invention. Une idée à la base de l'invention consiste à utiliser une ou plusieurs bobines comprenant deux enroulements hélicoïdaux dont les spires 10 présentent des inclinaisons opposées par rapport à un axe longitudinal commun. Des bobines présentant une telle structure sont connues de l'art antérieur sous le nom de « dipôles à double hélice » ou (DHD, de l'anglais « Double Helix Dipole »), voir à ce propos : - A. Akhmeteli, A. Gavrilin et W. Marshall, 15 « Superconducting and resistive tilted coil magnets for generation of high and uniform transverse magnetic field », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 15, 1439 - 1443 (2005) ; C. Goodzeit, M. Bali et R. Meinke, « The Double-Helix Dipole. A Novel Approach to Accelerator Magnet Design », IEEE Transactions 20 on Applied Superconductivity, 13, 1365-1368, (2003); - US 6,921,042 ; - S. Farinon et P. Fabbricatore, « Refined modeling of superconducting double helical colis using finite element analysis », Supercond. Sci. Technol. 25 (2012). 25 Ces bobines connues de l'art antérieur, cependant, ont un nombre de spires par enroulement très importants (48 dans l'article précité de S. Farinon et P. Fabbricatore), justifiant une approximation de longueur infinie. Elles présentent par conséquent une inductance élevée, qui interdit une utilisation à radiofréquence (elles sont, en effet, alimentées en courant continu 30 pour la génération de champs magnétiques statiques) et un encombrement important les rendant très peu pratiques pour une utilisation en résonance magnétique nucléaire. Les présents inventeurs ont découvert de manière inattendue que des bobines présentant une structure à double hélice inclinée peuvent être dimensionnées de manière à permettre leur utilisation à radiofréquence et dans un environnement confiné. Un objet de l'invention est donc une sonde comprenant au moins une bobine à radiofréquence caractérisé en ce que ladite bobine à radiofréquence comprend un premier enroulement hélicoïdal présentant des spires inclinées d'un angle a différent de zéro et de 900 par rapport à un axe et un deuxième enroulement hélicoïdal coaxial audit premier enroulement, présentant des spires inclinées d'un angle -a par rapport audit axe.

Selon des modes de réalisation avantageux : - Une telle sonde peut comporter au moins deux dites bobines à radiofréquence agencées de façon coaxiale et dont les enroulements sont orientés de telle sorte que les plans formés par les axes de leurs spires et l'axe commun aux deux bobines soient perpendiculaires entre eux. Les spires de ladite ou de chaque dite bobine peuvent être inclinées d'un angle compris entre 100 et 50°. - Chaque dit enroulement hélicoïdal peut présenter un nombre de spires compris entre 1 et 25.

Les enroulements hélicoïdaux d'une même bobine peuvent être connectés en série, de manière à être parcourus par un même courant. - Lesdits enroulements hélicoïdaux peuvent présenter un même nombre de spires.

Un autre objet de l'invention est un appareil pour résonance magnétique nucléaire comprenant : un aimant pour générer, dans un volume dit intérieur, un champ magnétique stationnaire orienté selon une direction dite longitudinale ; - une sonde selon l'une des revendications précédentes, 30 agencée dans ledit volume intérieur; et - un générateur à radiofréquence alimentant la bobine de ladite sonde.

Selon un premier mode de réalisation d'un tel appareil pour résonance magnétique nucléaire, ladite sonde peut comprendre une ou plusieurs bobines dont l'axe est parallèle à ladite direction longitudinale dudit champ magnétique stationnaire.

Selon un second mode de réalisation d'un tel appareil pour résonance magnétique nucléaire, ladite sonde peut comprendre une ou plusieurs bobines dont l'axe est incliné d'un angle goy! = arctan(/i) (« angle magique ») par rapport à ladite direction longitudinale dudit champ magnétique stationnaire.

Encore un autre objet de l'invention est une bobine comprenant un premier enroulement hélicoïdal présentant des spires inclinées d'un angle a différent de zéro et de 900 par rapport à un axe et un deuxième enroulement hélicoïdal, coaxial audit premier enroulement, présentant des spires inclinées d'un angle -a par rapport audit axe, caractérisé en ce que lesdits enroulements hélicoïdaux présentent un nombre de spire compris entre 1 et 25. Avantageusement, chaque dit enroulement hélicoïdal peut présenter un même nombre de spires. Encore un autre objet de l'invention est un procédé de génération d'un champ magnétique à radiofréquence comportant l'alimentation, par une source de courant à radiofréquence, d'une bobine comprenant un premier enroulement hélicoïdal présentant des spires inclinées d'un angle a différent de zéro et de 90° par rapport à un axe et un deuxième enroulement hélicoïdal, coaxial audit premier enroulement, présentant des spires inclinées d'un angle -a par rapport audit axe.

Selon des modes de réalisation avantageux d'un tel procédé : - Ledit angle a peut être compris entre 10° et 50°. - Chaque dit enroulement hélicoïdal peut présenter un nombre de spires compris entre 1 et 25. - Lesdits enroulements hélicoïdaux peuvent présenter un 30 même nombre de spires et être connectés en série, de manière à être parcourus par un même courant.

D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement : la figure 1, un dipôle à double hélice ; la figure 2, une distribution de courant produisant un champ magnétique d'homogénéité maximale ; la figure 3 une spire inclinée ; - la figure 4A, une bobine à radiofréquence selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 4B et 4C, des tracés de contour illustrant le flux magnétique généré par la bobine de la figure 4A; - la figure 5A, une bobine à radiofréquence selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - les figures 5B et 5C, des tracés de contour illustrant le flux magnétique généré par la bobine de la figure 5A; - les figures 6A et 6B, respectivement, une sonde pour résonance magnétique nucléaire selon un troisième mode de réalisation de l'invention et son circuit d'adaptation ; - la figure 7, un appareil de RMN utilisant une telle sonde ; les figures 8A - 80, les résultats d'une expérience de RMN démontrant un avantage technique procuré par l'invention par rapport à une sonde selon l'art antérieur ; - la figure 9, l'agencement d'un échantillon à l'intérieur d'une sonde selon ledit troisième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 10, une bobine à radiofréquence selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. Avant de procéder à la description détaillée de l'invention, il convient de rappeler la théorie des dipôles à double hélice. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, un tel 30 dipôle magnétique DI-ID est une bobine constituée de deux enroulements solénoïdaux superposés El et E2, de longueur considérée comme infinie, dont les spires S sont inclinées respectivement d'un angle ÷cc et -a par rapport à un axe z. Contrairement à un solénoïde « ordinaire » dans lequel les spires sont perpendiculaires à l'axe, dans un dipôle à double hélice l'angle a est sensiblement différent de 900 et de 0°, et souvent proche de 45°. Chaque enroulement génère, lorsqu'il est parcouru d'un 5 courant électrique, un champ magnétique Bi, B2 comportant une composante longitudinale (solénoïdale) Bai, Bz2 et une composante transversale (dipolaire) Byi By,2. Si les enroulements sont identiques et sont parcourus d'un même courant électrique, Bz2= et By2= Bi; en d'autres termes les composantes longitudinales s'annulent tandis que les composantes transversales io s'additionnent, ce qui conduit à un champ résultant purement transversal. En faisant varier le rapport entre les courants parcourant les deux enroulements, il est possible de modifier la direction du champ magnétique résultant, entre une direction purement longitudinale et une direction purement transversale. Il peut être démontré que, dans le cas d'une bobine DHD de 15 longueur infinie, le champ magnétique transverse à l'intérieur de la bobine est parfaitement homogène (ne dépend pas de la distance de l'axe z) lorsque le courant électrique dépend de l'angle azimutal 0 (coordonnée polaire dans un plan perpendiculaire à la direction axiale z) selon une loi cosinusoïdale : i(0)=10 cos(0), lo étant le courant total circulant dans la bobine. Comme démontré 20 dans l'article précité de A. Akhmeteli et al., chacun des deux enroulements El, E2 de la bobine DHD de la figure 1 peut être décrit par une densité de courant dont la composante longitudinale Jz suit précisément une loi de ce type : Iz a cos2n = a h d tan a 25 où a est le rayon de l'enroulement, h son pas et d le diamètre du fil. Cette situation est illustrée sur la figure 2. Le terme Jzs'i est responsable du champ magnétique solénoïdal, c'est-à-dire orienté selon l'axe de la bobine. Les champs magnétiques solénoïdaux longitudinaux des deux enroulements de la bobine s'annulent mutuellement, la valeur de Jzs°1 n'a donc que peu 30 d'importance.

Il convient de rappeler encore une fois que ce résultat repose sur l'hypothèse d'un enroulement de longueur « infinie » par rapport à son rayon, constitué d'un nombre « infini » de spires. Une bobine constituée de tels enroulements aurait cependant une inductance extrêmement élevée et ne pourrait pas, en pratique, être utilisée dans des applications à radiofréquence, et en particulier dans une sonde pour résonance magnétique nucléaire, qui doit être résonante à une fréquence qui est généralement de plusieurs MHz. Les présents inventeurs ont donc considéré le cas d'une bobine présentant une structure analogue à celle d'un dipôle DHD mais une longueur finie, un nombre de spire limité et donc une inductance suffisamment faible pour que son utilisation à radiofréquence puisse être envisagée (et un encombrement assez réduit pour qu'elle puisse être utilisée dans une sonde de résonance magnétique nucléaire). Pour étudier une telle bobine, il faut commencer pour considérer le cas d'une spire S isolée, représentée sur la figure 3. Comme expliqué plus haut a=2,5 mm représente le rayon du cylindre sur laquelle la spire est enroulé, et donc le demi-axe mineur de la spire qui a une forme elliptique en raison de son inclinaison par rapport à l'axe dudit cylindre, et h=1 mm son pas, c'est-à-dire la distance entre ses extrémités suivant la direction z. La spire est inclinée d'un angle a=35,3° par rapport à ladite direction z. La loi de Biot et Savart permet de calculer la densité du flux magnétique B au point M(x,y,z) : moi fdlx B (x, y, z) = - 47r r2 où I est le courant électrique, dl est l'élément de longueur de la spire et i> le vecteur reliant un point de la spire au point M. Pour effecteur le calcul il convient d'utiliser l'expression paramétrique de la spire (et donc du 25 chemin d'intégration) par rapport à l'angle 0: X(0) = a cos y(9) = a sin h a sin h z(9) 27/- 0 + tan a = -27r 9 + acot(a) sin(0) Le flux magnétique généré par un enroulement constitué de N>1 spires est obtenu de la même façon, simplement en faisant varier l'angle 0 entre 0 et 2N7c. Considérant les effets d'un deuxième enroulement coaxial au premier, disposé autour de lui et présentant des spires d'inclinaison opposée (-a) on obtient B (x, y, z) = dii yo/i di2 x f>2 47r r2 4ffJ r2 1 2 où les indices « 1 » et « 2 » désignent le premier et le deuxième enroulement, respectivement. L'équation ci-dessus permet de calculer numériquement le champ magnétique en tout point à l'intérieur (ou même à l'extérieur, mais cela o présente moins d'intérêt) de la bobine. La figure 4A montre une bobine à radiofréquence BRF1 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Elle présente une longueur L=12 mm et comprend deux enroulements de 12 spires enroulées sur un cylindre de rayon a=2,5 mm avec une inclinaison de ±35,3° (ce qui leur donne 15 une forme elliptique, même si ledit cylindre a une section circulaire) et un pas h=1 mm. Les deux enroulements El', E2' sont parcourus par un même courant, ce qui peut être obtenu en les reliant en série entre eux et en les connectant à un même générateur de courant. Le rapport longueur sur diamètre (on considère le diamètre de la bobine, ou de manière équivalente 20 celui des enroulements, et pas celui de chaque spire considérée individuellement) vaut L/(2a.sina,),4,15, ce qui est très loin de l'approximation de longueur infinie sur laquelle se base la théorie de dipôles à double hélice. Plus généralement, le rapport longueur/diamètre d'une bobine selon l'invention est avantageusement compris entre 1 et 10, de préférence entre 2 25 et 5 et de manière encore préférée entre 2 et 3. En variante, les deux enroulements peuvent être alimentés par des générateurs de courant distincts et indépendant. Comme cela a été expliqué plus haut, cela permet de régler l'orientation du champ magnétique à radiofréquence. Les figures 4B et 4C montrent des tracés de contour du flux magnétique généré par cette bobine, normalisé à sa valeur centrale (au point 5 x=0, y=0, z=0), respectivement dans le plan YZ et dans le plan XY. La composante du flux magnétique selon la direction y prend une valeur maximale de 1,9 T/mA, tandis que les autres composantes sont inférieures d'au moins un ordre de grandeur, ce qui signifie que le champ magnétique est essentiellement transversal. Une homogénéité pratiquement o parfaite est obtenue sur tout le volume intérieur de la bobine, au niveau de la superposition des deux enroulements. L'inductance de la bobine peut également être calculée numériquement : on trouve une valeur d'environ 1,06 pH, qui convient à des applications de résonance magnétique à « basse » fréquence de Larmor, c'est-à-dire à des fréquences comprises entre 15 20 MHz et 200 MHz pour des spectres Ili. La figure 5A montre une bobine à radiofréquence BRF2 selon un autre mode de réalisation de l'invention, convenant à des applications à plus haute fréquence. Dans cette bobine les enroulements El", E2" comprennent chacun une seule spire elliptique, réalisée avec un fil conducteur 20 de 0,25 mm de diamètre. La spire de l'enroulement El" présente un grand axe de 3,8 mm et un petit axe de 2,5 mm ; la spire de l'enroulement E2", agencée autour de la précédente, présente un grand axe de 4,5 mm et un petit axe de 3 mm. L'angle a étant de 33,50, la longueur L de la bobine vaut environ 5 mm et sa plus grande dimension transversale vaut 3 mm, ce qui 25 donne un rapport d'aspect (longueur sur plus grande dimension transversale) de 1,7. Les figures 5B et 5C montrent des tracés de contour de du flux magnétique généré par cette bobine, normalisé à sa valeur centrale (au point x=0, y=0, z=0), respectivement dans le plan YZ et dans le plan XY. On 30 peut identifier une région d'homogénéité du champ présentant une forme cylindrique d'axe z et un volume d'environ 43mm3. La région d'homogénéité est définie comme la région à l'intérieur de laquelle l'intensité du champ magnétique varie de ±0,5% au maximum par rapport à sa valeur au centre de la bobine. La composante du flux magnétique selon la direction y prend une valeur maximale de 0,28 T/mA et l'inductance de la bobine est d'environ 35 nH, ce qui convient à un fonctionnement à haute fréquence (de l'ordre de 500 MHz). A titre de comparaison, une bobine à selle ayant un volume intérieur identique, dans laquelle le diamètre et la longueur du fil sont choisis de manière à donner une résistance électrique également identique, permet d'obtenir une région d'homogénéité ayant un volume semblable, mais une io composante transversale du flux magnétique de seulement 0,017 mT/A. Cela signifie que, pour fournir une même intensité du champ magnétique, la bobine en forme de selle (inductance de l'ordre de 20 nH) nécessite d'un courant d'alimentation environ 16 fois plus grand qu'une bobine selon l'invention. La figure 6A montre deux vues d'une sonde SRMN pour 15 résonance magnétique selon un mode de réalisation de l'invention. La sonde comprend une bobine BRF3 constituée par deux enroulements El', E2" de 13 spires chacun de fil conducteur de 0,4 mm de diamètre, le diamètre de la bobine étant de 7 mm, l'angle d'inclinaison des spires de ±35,30, l'inductance 1,3 pH, la résistance en courant continu Rd0=0,0719Q, une longueur de la 20 région de superposition des deux enroulements de 17 mm ; la longueur totale du fil conducteur est de 528 mm. La bobine est située à l'intérieur d'un tube de verre T, porté par une structure de tiges ST permettant son introduction dans un spectromètre RMN ; l'extrémité distale du tube (opposé à la structure de tiges) est ouverte pour permettre l'introduction d'un échantillon. La sonde 25 comprend également un circuit d'adaptation d'impédance comprenant : un condensateur d'accord Ct présentant une capacité réglable entre lpF et 10pF, un couplage inductif L, (enroulement autour du tube) et un condensateur d'adaptation d'impédance Cm présentant une capacité réglable entre 3pF et 23pF connecté en parallèle avec un condensateur de 47 pF. Ce circuit, dont le 30 schéma électrique est illustré sur la figure 6B, permet une bonne adaptation d'impédance dans la plage 29 MHz - 41 MHz. La pièce de 20 centimes d'euros représentée à côté de la sonde permet d'en apprécier les dimensions.

La figure 7 représente une telle sonde insérée dans un appareil de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) comprenant un aimant A de génération d'un champ magnétique dit longitudinal Bo, un circuit de transmission Tx (comprenant généralement un générateur de signaux, un émetteur, un amplificateur à radiofréquence), un circuit de réception Rx (comprenant généralement un préamplificateur, un récepteur et un convertisseur analogique numérique) et un ordinateur ORD. Le circuit de transmission Tx utilise la sonde SRMN comme antenne émettrice, pour générer le champ magnétique à radiofréquence excitant les o spins nucléaires des protons d'un échantillon placé à l'intérieur de la bobine. Le circuit de réception Rx utilise ladite sonde comme antenne réceptrice pour détecter le signal de résonance magnétique nucléaire émis par lesdits spins nucléaires. L'ordinateur ORD pilote ces circuits et se charge du traitement des signaux acquis. 15 Dans l'exemple de la figure 7, l'axe z de la bobine est parallèle à la direction du champ magnétique B (indiquée par Ç sur la figure). D'une manière générale, toutefois, les axes z et Ç peuvent former un angle arbitraire. L'utilisation d'une sonde dont la bobine n'est pas alignée selon la direction peut être avantageuse, notamment pour permettre une rotation de 20 l'échantillon à l' « angle magique)) selon une technique connue de l'homme du métier. Dans ce cas particulier, l'angle formé par les axes z et doit valoir çom = arctan. La sonde décrite plus haut a été utilisée dans une simple expérience de résonance magnétique nucléaire pour en apprécier les 25 performances - en particulier, la durée d'une impulsion à 900 et l'homogénéité du champ - et les comparer à celles d'une sonde commerciale comprenant une bobine en forme de selle. L'expérience a été effectuée dans un champ magnétique longitudinal constant de 0,887 T, correspondant à une fréquence de Larmor v=37,3 MHz pour 1H. Comme échantillon S, il a été utilisé une 30 solution de H20 et Cu2SO4 dilué pour minimiser le temps de relaxation T1, placé dans un tube Shigemi TS avec une longueur d'échantillon d'environ 13 mm ; cet agencement est illustré sur la figure 9. Des mesures de nutation ont été effectuées pour trois niveaux de puissance d'excitation à radiofréquence : 5W, 2W et 0,5W. A titre de comparaison, les mesures ont été répétées pour une sonde Bruker 200 du commerce, comprenant une bobine en forme de selle ayant une longueur de 13 mm (à comparer aux 17 mm de la bobine selon l'invention). Les figures 8A, 8B et 8C montrent - pour des puissances d'excitation de 5W, 2W et 0,5W respectivement, l'intensité de pic du signal FID (plus précisément : de la transformée de Fourier du signal FID exprimé en fonction de la fréquence y) détecté à la fréquence de Larmor en fonction de la durée de l'impulsion d'excitation tp ; sur ces figures, les cercles correspondent aux valeurs mesurées utilisant la sonde Bruker 200 de référence et les carrés à celle obtenue avec la sonde de l'invention. Le premier maximum du signal permet d'identifier la valeur de tp qui correspond à une impulsion à 90° : on peut noter que cette valeur est plus faible pour la sonde de l'invention, ce qui is confirme que cette dernière présente une efficacité (intensité du champ magnétique rapportée à celle du courant d'alimentation) plus élevée que la sonde du commerce. Le rapport entre le premier et le deuxième maximum du signal fournit une mesure de l'inhomogénéité du champ magnétique à radiofréquence : ce rapport vaudrait environ 1 en cas d'homogénéité parfaite, 20 et prend une valeur d'autant plus petite que l'homogénéité est importante. On utilise cette mesure indirecte et qualitative de l'homogénéité car il serait très difficile de réaliser une cartographie du champ magnétique à l'intérieur de la bobine, en raison de ses faibles dimensions. On peut vérifier en tout cas que la sonde de l'invention permet d'obtenir un champ plus homogène que la 25 sonde du commerce. Une sonde selon l'invention s'avère donc particulièrement avantageuse pour les applications de résonance magnétique nucléaire à « basse fréquence)> (20 - 200 MHz). Une telle sonde convient tout particulièrement à l'étude d'échantillons liquides et à la mise en oeuvre de 30 techniques telles que la technique précitée de rotation à l'angle magique (« Magic Angle Spinning »). L'invention admet plusieurs variantes.

Par exemple, le nombre d'enroulement peut être supérieur à deux, comme dans le cas de la bobine DHD décrite dans l'article précité de A. Akhmeteli et al. De même, les deux enroulements peuvent comporter un nombre de spires différent, à condition que les courants électriques les parcourant soient adaptés en conséquence. Le rapport longueur/diamètre de la bobine d'une sonde selon l'invention peut être inférieur à 1 ou supérieur à 10, seul importe que son inductance soit suffisamment faible pour permettre son utilisation à radiofréquence.

Jusqu'ici on a considéré uniquement des bobines à section circulaire ou elliptique, mais cela n'est pas essentiel ; on peut envisager par exemple des bobines à section polygonale. Des bobines selon l'invention peuvent être utilisées dans des sondes présentant une structure différente de celle décrite. En particulier, dans un mode de réalisation alternatif illustré sur la figure 10, la sonde comporte deux bobines coaxiales BRFx (en noir sur la figure) et BRFy (en gris), ayant chacune deux enroulements. La bobine interne, BRFx, présente des spires inclinées par rapport aux axes x et z, de façon a générer un champ à radiofréquence orienté selon la direction x (ou, plus généralement, selon une direction gisant dans le plan x-z). La bobine externe, BRFy, présente une structure tournée de 90° autour de l'axe z, et donc des spires inclinées par rapport aux axes y et z de façon à générer un champ à radiofréquence orienté selon la direction y (ou, plus généralement, selon une direction gisant dans le plan y-z). En d'autres termes, le plan formé par les axes des spires de la bobine BRFx et l'axe z est orthogonal au plan formé par les axes des spires de la bobine BRFy et ce même axe z. Avantageusement les deux bobines sont identiques, sauf en ce qu'elles présentent des diamètres légèrement différents pour des raisons d'encombrement mécanique (par exemple, dans la cas de la figure 10, la bobine BRFx présente un diamètre extérieur de 5,2 mm et la bobine BRFy, agencée à l'extérieur de la précédente, présente un diamètre extérieur de 5,6 mm). En outre, elles sont avantageusement alimentées par des courants électriques en quadrature, de manière à générer de champs magnétiques à radiofréquence qui sont également en quadrature (c'est-à-dire avec un décalage temporel d'un quart de période) et qui présentent des orientations spatiales orthogonales entre elles et par rapport à l'axe de la bobine. Cela permet d'améliorer le rapport signal sur bruit d'un facteur \i2. On peut également envisager un mode de réalisation dans lequel les deux bobines génèrent des champs transversaux formant entre eux un angle inférieur à 900 , mais cela est généralement moins avantageux.10

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Sonde pour résonance magnétique nucléaire comportant au moins une bobine à radiofréquence (BRF3) caractérisé en ce que ladite bobine à radiofréquence comprend un premier enroulement hélicoïdal (El') présentant des spires (S) inclinées d'un angle a différent de zéro et de 900 par rapport à un axe (z) et un deuxième enroulement hélicoïdal (E21, coaxial audit premier enroulement, présentant des spires inclinées d'un angle -a par rapport audit axe. 10
2. 2. Sonde selon l'une des revendications précédentes, comportant au moins deux dites bobines à radiofréquence (BRFx, BRFy) agencées de façon coaxiale et dont les enroulements sont orientés de telle sorte que les plans formés par les axes de leurs spires et l'axe commun aux 15 deux bobines soient perpendiculaires entre eux,
3. 3. Sonde selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les spires de ladite ou de chaque dite bobine sont inclinées d'un angle compris entre 10° et 50°. 20
4. 4. Sonde selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chaque dit enroulement hélicoïdal présente un nombre de spires compris entre 1 et 25. 25
5. 5. Sonde selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les enroulements hélicoïdaux d'une même bobine sont connectés en série, de manière à être parcourus par un même courant.
6. 6. Sonde selon l'une des revendications précédentes, dans 30 laquelle lesdits enroulements hélicoïdaux présentent un même nombre de spires.
7. 7. Appareil pour résonance magnétique nucléaire comprenant : - un aimant (A) pour générer, dans un volume dit intérieur, un champ magnétique stationnaire (Bo) orienté selon une direction () dite longitudinale ; une sonde (SRMN) selon l'une des revendications précédentes, agencée dans ledit volume intérieur; et un générateur à radiofréquence alimentant la bobine de ladite sonde.
8. 8. Appareil pour résonance magnétique nucléaire selon la revendication 7, dans lequel ladite sonde (SRMN) comprend une ou plusieurs bobines dont l'axe est parallèle à ladite direction longitudinale dudit champ magnétique stationnaire.
9. 9. Appareil pour résonance magnétique nucléaire selon la revendication 7, dans lequel ladite sonde (SRMN) comprend une ou plusieurs bobines dont l'axe est incliné d'un angle vm arctan(V2-) par rapport à ladite direction longitudinale dudit champ magnétique stationnaire.
10. 10. Bobine (BRF1, BRF2) comprenant un premier enroulement hélicoïdal (El', El") présentant des spires inclinées d'un angle a différent de zéro et de 90° par rapport à un axe (z) et un deuxième enroulement hélicoïdal (E2', E2"), coaxial audit premier enroulement, présentant des spires inclinées d'un angle -a par rapport audit axe, caractérisé en ce que lesdits enroulements hélicoïdaux présentent un nombre de spire compris entre I et 25.
11. 11. Bobine selon la revendication 10 dans laquelle chaque dit 30 enroulement hélicoïdal présente un même nombre de spires.
12. 12. Procédé de génération d'un champ magnétique à radiofréquence comportant l'alimentation, par une source de courant à radiofréquence, d'une bobine (BRF1, BRF2) comprenant un premier enroulement hélicoïdal (El', El") présentant des spires inclinées d'un angle a différent de zéro et de 90° par rapport à un axe (z) et un deuxième enroulement hélicoïdal (E2', E2"), coaxial audit premier enroulement, présentant des spires inclinées d'un angle -a par rapport audit axe.
13. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel ledit angle 10 a est compris entre 10° et 50°.
14. 14. Procédé selon l'une des revendications 12 ou 13, dans lequel chaque dit enroulement hélicoïdal présente un nombre de spires compris entre 1 et 25. 15
15. 15. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, dans lequel lesdits enroulements hélicoïdaux présentent un même nombre de spires et sont connectés en série, de manière à être parcourus par un même courant. 20