FR3051284A1 - SHORT WIRED ANTENNA FOR USE IN SPECTROSCOPY AND NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE IMAGING - Google Patents
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Abstract
Antenne filaire courte (13; 14) pour l'émission d'une séquence d'impulsions de champ magnétique radiofréquence(RF) dans un procédé d'imagerie et/ou de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), l'antenne filaire courte comportant une pluralité de brins (31; 41) s'étendant au moins partiellement selon une direction Z, dans un repère orthogonal ayant un axe z défini par la direction Z, les brins étant disposés de telle manière à ce que les courants parcourant les brins (31; 41) de chaque antenne (13; 14) présentent une même intensité à une même position selon l'axe z.Short wired antenna (13; 14) for transmitting a sequence of radio frequency (RF) magnetic field pulses in an imaging and / or nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) method, the short wired antenna having a plurality of strands (31; 41) extending at least partially in a Z direction, in an orthogonal coordinate system having an axis Z defined by the Z direction, the strands being arranged in such a way that the currents traversing the strands (31; 41) of each antenna (13; 14) have the same intensity at the same position along the z axis.
Description
ANTENNE F IL AIRE COURTE POUR UTILISATION EN SPECTROSCOPIE ET IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE
La présente invention concerne les antennes filaires courtes multibrins et leurs utilisations en champ proche dans des procédés d’imagerie et/ou de spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN).
Le phénomène de RMN, qui est révélé dès lors qu'un moment magnétique nucléaire est placé dans un champ magnétique (Bo), s'est imposé dès sa découverte comme un moyen d'investigation par spectroscopie incontournable en chimie et en physique. L'adjonction de bobines de gradient de champ magnétique a permis la localisation du signal de RMN et a marqué l'avènement de l'imagerie par RMN. Les bobines de gradient modifient le champ magnétique local permettant, in fine, de réaliser des images par résonance magnétique nucléaire (IRM). Dans un champ magnétique homogène Bo, les spins de l’échantillon observé précessent à la fréquence de Larmor (a>o) selon ω0=γΒο. Si l’on superpose au champ principal B0 celui généré par les bobines de gradient:
l’expression du champ résultant montre que la fréquence de précession des spins dépend de leur position :
Ainsi, le champ magnétique créé par les bobines de gradient permet notamment de sélectionner un plan de coupe (transversal, frontal, sagittal ou oblique) et de déterminer la localisation spatiale des signaux dans ce plan.
Cependant, l’utilisation de bobines de gradient conduit à des systèmes complexes et volumineux présentant de nombreux inconvénients : coût, consommation électrique élevée, bruit, et justifient l'intérêt pour une localisation du signal de RMN sans gradient, comme illustré dans la publication de Sharp et al. : « MRI usïng radiofrequency magnetic fieldphase gradients ». En outre, on voit poindre un intérêt grandissant pour des équipements d’IRM portables pour lesquels l'intégration de bobines de gradient représente une difficulté majeure.
La détection du signal de RMN a été historiquement réalisée grâce au phénomène physique de l'induction électrique au moyen d’une antenne réceptrice comportant une ou plusieurs bobines accordées à la fréquence du noyau à mesurer dans le champ magnétique B0 et adaptées à l'impédance standard de 50 Ohms, comme le montre par exemple la publication « The nuclear induction experiment » de Bloch F. et al. Ce mode de détection reste la règle.
Une grande variété de bobines a été mise au point et a été utilisée pour l'observation du signal de RMN: bobine de Helmholtz, bobine selle, bobine en forme de cage d’oiseau ou encore bobine millipède, comme illustré dans l’ouvrage «NMR Probehead: for biophysicals and biological experiments », Ed. Impérial College, (2006) de Mispelter, Lupu & B ri guet. Toutes ces bobines appartiennent à la catégorie des antennes à détection inductive dont le principe de mesure repose principalement sur l’apparition d’une tension proportionnelle à la composante magnétique du rayonnement électromagnétique, à la différence des antennes filaires dont le principe de mesure tient essentiellement à l’apparition d’un courant électrique dépendant de la composante électrique du rayonnement électromagnétique.
Afin de pouvoir réaliser des expériences de RMN, outre le champ magnétique statique principal Bo puissant et stable produit souvent par un aimant supraconducteur qui crée des alignements des moments magnétiques de spin au champ B0, un champ magnétique oscillant Bi plus faible, dans le domaine des radiofréquences (RF), est nécessaire. Ce champ oscillant Bi est sous forme d’une séquence d’impulsions RF et est traditionnellement réalisé au moyen de bobines émettrices et appliqué de façon à légèrement modifier l’alignement des moments magnétiques (spins) et produire un phénomène de précession des aimantations nucléaires qui demeurent en phase dans le plan transverse à B0 qui s’accompagne d’un champ électromagnétique mesurable.
Il est nécessaire d'accorder la fréquence de fonctionnement des bobines émettrices à la fréquence des noyaux à imager et d'adapter leur impédance (à la fréquence de fonctionnement envisagée) à l'impédance d'entrée de l'amplificateur de puissance (standard de 50 Ohms), de façon à optimiser le transfert de puissance. Ainsi, l'application du champ Bi pendant une durée τ, va faire basculer l'aimantation vers le plan de la détection d'un angle :
éq.(1)
En pratique, les séquences IRM utilisent soit des combinaisons d'impulsions RF (π/2+π), connues sous le nom de séquence d'écho de spin, pour compenser les inhomogénéités du champ statique Bo, soit une simple bascule d’un angle donné Θ], séquence connue sous le nom d’écho de gradient. L'application des impulsions radiofréquences en relation avec celles des gradients du champ magnétique permet la localisation spatiale du signal.
Lorsque les bobines ne sont utilisées qu'en réception, l'adaptation d'impédance est moins contraignante et le simple accord de la fréquence de fonctionnement peut suffire. De nombreuses configurations de circuit électronique d'accord-adaptation peuvent être utilisées pour les bobines, comme illustré dans la publication de Mispelter, Lupu&Briguet susmentionnée, ou encore dans la publication « Tunable electrically small Antennas » de John A.M. Lyon, Alan G-T Chaet Mohamed A. Hidayet.
On cherche généralement à obtenir un signal homogène, c'est-à-dire un champ Bi monodirectionnel et d'amplitude constante sur le plus grand volume possible, ce qui nécessite des conformations de bobines spécifiques, par exemple bobine solénoïde, bobine de Helmholtz, bobine selle, etc. dont le dimensionnement est alors contraint par le respect de règles géométriques. Par exemple, dans le cas des bobines de Helmholtz, la distance entre les deux spires doit être égale à leur rayon. Il existe également des contraintes sur les longueurs des fils, lesquelles sont typiquement inférieures à λ/10, où λ est la longueur d’onde associé au champ RF utilisé, d'après la publication de Mispelter, Lupu & Briguet. L'homogénéité du signal est alors la résultante de l'homogénéité à l'émission, avec un angle de bascule qui dépend de la localisation du spin:
et de la détection qui est proportionnelle au facteur
Au final, le signal de RMN (e) fourni par une antenne inductive subit cette double dépendance sous la forme :
éq. (2) C'est la raison qui amène à concevoir des bobines pour lesquelles le volume d'intérêt présente la meilleure homogénéité possible de B±(x, y, z) en termes de direction et d'amplitude. Ceci est souvent réalisé par des configurations appropriées de répartition de fils conducteurs et de déphasage des courants parcourant les fils.
Un exemple connu est celui de la bobine dite en cage d’oiseau ou «birdcage» divulguée par Hayes et al. dans l’article « An Efficient, Highly Homogeneous
Radio frequency Coil for Whole-Body NMR Imaging at 1.5T». Dans une bobine « birdcage », une pluralité de N fils conducteurs, disposés de manière uniforme entre deux anneaux conducteurs et présentant chacun une capacité, va produire un déphasage δφ du courant au sein de chaque conducteur à une pulsation ω donnée, où ω=2π/f, f étant la fréquence du courant d’alimentation de la bobine. Le déphasage total est un multiple M de 2π, soit Νχ δφ =Μ2π, afin de favoriser une répartition sinusoïdale du courant entre les N fils, condition connue pour l’obtention de l’homogénéité du champ magnétique généré. Ainsi la bobine « birdcage » permet de créer un champ magnétique oscillant RF Bi qui est sensiblement homogène dans le volume cylindrique à l’intérieur de la bobine.
Une autre configuration est divulguée par Bolinger et al. dans « A Multiple-Frequency Coil with a Highly Uniform Bj Field », où le déphasage temporel des courants est remplacé par une répartition non uniforme des conducteurs. Les courants ont même valeur dans tous les fils. Les fils conducteurs sont disposés autour d’un cylindre, de manière à favoriser une distribution de la densité de courant définie par l’équation
où Θ est l’angle azimutal cylindrique du fil.
Le brevet US 5270656 décrit un système bi-planaire comportant des bobines se situant dans deux plans parallèles pour créer un champ RF homogène dans un volume entre ces plans.
Par ailleurs, on voit aussi émerger de nouveaux modes de détection comme celui qu’offrent les antennes filaires. Ces antennes filaires sont accordées en fréquence et adaptées en impédance par conception, par utilisation d’une longueur caractéristique λ/4 sur substrat diélectrique, comme expliqué dans la publication de Raaijmakers AJ et al. : « Design of a Radiative Surface Coil Array Elément at 7 T: The Single-Side Adapted Dipole Antenna ». Elles peuvent être utilisées en champ lointain en modulant l'épaisseur du substrat diélectrique, mais aussi en champ proche comme décrit dans les publications d’O. Ocali et E. Atalar: « Intravascular magnetic résonance imaging using a loopless cathéter antenna » ou de Halidi et al. : « Evanescent Waves Nuclear Magnetic Résonance ».
Le brevet US 6771070 divulgue un système d’antennes utilisé en détection de signaux électromagnétiques. Le système comporte des brins conducteurs disposés en parallèle, chacun étant connecté à une chaîne de réception. Les brins sont accordés à la fréquence du signal à détecter et d'une longueur égale à un multiple entier de λ/4 où λ est la longueur d’onde du signal à détecter.
Les antennes filaires peuvent être combinées pour constituer un réseau d'antennes afin de couvrir une région de l'espace donnée et ainsi produire une image, comme indiqué dans la publication de Raaijmakers AJ et al..
Dans le cas d'antennes filaires courtes, monopole ou dipôle de longueur L«X, par exemple L inférieure à λ/10, l'accord en fréquence et l'adaptation d'impédance peuvent être obtenus au moyen d'un circuit d'accord-adaptation comme illustré dans la publication précitée de John A.M. Lyon, Alan G-T Cha and Mohamed A. Hidayet.
Un inconvénient majeur de l'utilisation d'antennes monopoles courtes pour détecter un signal de RMN est un champ de vue réduit aux spins les plus proches du brin formant l'antenne. Pour pallier cet inconvénient, plusieurs antennes filaires utilisées en champ lointain peuvent être associées en réseau pour couvrir une région de l'espace, surfacique ou volumique, comme expliqué dans la publication de Raaijmakers AJ et al. Cette solution nécessite cependant une instrumentation conséquente puisqu'à chaque antenne filaire est associé un canal d'émission réception.
Dans le cas des antennes filaires courtes, il existe une dépendance de l'intensité du signal à la position de l’objet émetteur par rapport à la hauteur du brin. Par « courte », il faut comprendre une longueur d’antenne L qui satisfait au critère suivant : L< λ/10.
Dans le cas d'antennes filaires courtes, l’intensité du courant induit le long de l’antenne est connue pour être linéairement reliée à la position des spins par rapport au brin, comme expliqué dans l’article « Antenna Fundamentals » des cours de National Radio Astronomy Observatory disponibles sur le site: http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/AntennaTheory.html.
Pour une antenne monopole de longueur L, cette dépendance s'exprime ainsi sous la forme:
éq. (3.a)
Pour une antenne dipôle de longueur L, cette dépendance devient :
éq.(3 b) où Io est le courant d’alimentation quand l’antenne est utilisée en émission et de sortie quand l’antenne est utilisée en réception, z étant la position sur le brin.
Par rapport aux habitudes de conception des dispositifs de détection en RMN ou en IRM, cette dépendance peut être interprétée comme un inconvénient, par exemple comme expliqué dans la publication de Mispelter, Lupu&Briguet, ce qui a amené à utiliser les antennes filaires de type dipôle de manière préférentielle en champ lointain selon la publication de Raaijmakers AJ et al. L'IRM est restée, compte-tenu de sa complexité, de son encombrement et de son coût, l'apanage des applications à la santé. Pourtant, dans des domaines tels que l'agronomie, où il est essentiel de mesurer la quantité d'eau dans les plantes, son utilisation semble pertinente et présenterait en tout cas une alternative aux méthodes invasives qui sont de mise. Cependant, pour être pertinente, il faudrait que la technique soit transportable afin de permettre de réaliser des mesures in situ. La simplification du hardware de la spectroscopie par RMN et/ou de PIRM présente donc un intérêt certain vis-à-vis de ce type d’application. L’invention cherche ainsi à améliorer encore les procédés d’imagerie par résonance magnétique nucléaire, afin de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. L’invention a pour premier objet une antenne filaire courte pour l’émission d’une séquence d’impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF) dans un procédé d’imagerie et/ou de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), l’antenne filaire courte comportant une pluralité de brins s’étendant au moins partiellement selon une direction Z, dans un repère orthogonal ayant un axe z défini par la direction Z, les brins étant disposés de telle manière à ce que les courants parcourant les brins de chaque antenne présentent une même intensité à une même position selon l’axe z.
La ou les antennes sont de préférence utilisées en champ proche. L’antenne filaire courte selon l’invention est une antenne dont la longueur L est inférieure à λ/10, λ étant de préférence la longueur d’onde du rayonnement RF émis dans le cadre des procédés IRM ou de spectroscopie par RMN. En général, la longueur d'onde des rayonnements radiofréquence utilisés en RMN, destinés à l’excitation des protons, notamment H+, est de l'ordre du mètre, par exemple respectivement de 1,5m et 75cm pour les H+ dans des champs respectif de 4,7T et de 9,4T.
Par «brin s’étendant au moins partiellement selon la direction Z», il faut comprendre que le brin s’étend selon une direction ayant au moins une composante non nulle parallèle à la direction Z sur au moins une partie de sa longueur.
Par exemple, les brins comportent une portion qui s’étend parallèlement à la direction Z ou les brins s’étendent parallèlement à la direction Z. Dans une variante, les brins présentent chacun une portion courbe formant un méridien dans la direction Z.
Chaque brin comporte par exemple un conducteur unique faisant office d'antenne filaire monopole ou dipôle.
Les brins de l’antenne peuvent délimiter un volume de mesure, par exemple sensiblement cylindrique, et de préférence ayant au moins une ouverture selon la direction Z. Une région d’un objet à examiner est présente dans le volume de mesure. L’antenne est alimentée par au moins une source de courant et/ou de tension pour l’émission de la séquence d’impulsions de champ RF.
Les brins peuvent avoir une même longueur (L), ce qui permet d’assurer au mieux l’homogénéité du champ RF créé.
De préférence, la répartition des brins autour de l’axe z et les phases des courants les parcourant sont telles que l’antenne crée un champ magnétique oscillant RF homogène dans chacun des plans x-y perpendiculaires à l’axe z, notamment dans le volume de mesure. Le champ magnétique oscillant RF correspond, lorsque l’antenne est alimentée, aux impulsions de champ magnétique RF émises. Par « un champ magnétique homogène dans un plan x-y », il faut comprendre que, dans au moins une région dudit plan, la variation de l’amplitude du champ magnétique par rapport à sa valeur maximale est inférieure à 10%.
Une telle configuration est par exemple connue du travail de Bolinger susmentionné sur les antennes inductives. Afin de se rapprocher d’une répartition cosinuisoidale de la densité de courant sur la circonférence d’un cercle, condition connue pour favoriser l’homogénéité dans le plan transverse du champ magnétique, Bolinger propose une règle simple de répartition de conducteurs à la périphérie telle qu’illustré à la figure 1 de l’ouvrage, dans laquelle des intervalles de longueur égale le long du diamètre d’un cercle, projetés sur la circonférence dudit cercle, permettent le positionnement des conducteurs (« The wire positions are most easily found by a géométrie construction where intervals of equal length along the diameter are projected on the circumference »). Selon Bolinger, une « bonne » homogénéité peut être réalisée avec cette configuration dans un nombre de cas.
Une autre configuration repose sur l’annulation des harmoniques de la décomposition en série de Fourier (DSF) associée à la distribution des conducteurs électriques du bobinage. Cette configuration est préférable pour l’homogénéité du champ magnétique produit ou induit par les bobines en général et, la présente invention, en particulier.
Dans la méthode DSF, pour N ensembles de fils conducteurs répartis sur la circonférence d’un cercle, où chaque ensemble comporte par exemple quatre fils conducteurs et un fil conducteur correspond à un brin de l’antenne multibrin défini plus haut, et où chacun des fils conducteurs est parcouru par un courant I ou -I, les courants parcourant les fils conducteurs disposés sur le demi-cercle compris entre θ=-π/2 et θ=π/2 en passant par 0=0 étant de préférence dans un même sens et ce dernier étant contraire au sens dans lequel les courants parcourent les fils conducteurs disposés sur le demi-cercle compris entre θ=-π/2 et θ=π/2 en passant par θ= π, l’expression de la DSF de la densité de courant normalisée j(0) équivalente aux N ensembles de fils conducteurs est
(éq 4) où 0 est l’angle azimutal sur le cercle et 0n sont les N angles définissant la position de chacun des N ensembles de fils conducteurs, les quatre fils conducteurs de chaque ensemble étant disposés en θη, -θη, π-θη et -π+θη.
Afin de se rapprocher d’une distribution idéale cosinusoïdale, il faut que les angles 0n annulent les N premiers harmoniques, ce qui revient à déterminer les solutions 0n du système d’équations suivant :
(éq.5)
Ainsi l’antenne, selon l’invention, peut comporter N ensembles de brins où N est un nombre entier supérieur à 1, la position des brins étant définie par les angles 0n solutions du système (éq.5).
Dans le cas où la bobine comporte par exemple N ensemble de quatre fils conducteurs en plus d’une paire de deux fils conducteurs centraux, i.e. en Θ = 0 et π, et où chacun des fils conducteurs est parcouru par un courant I ou -I, les courants parcourant les fils conducteurs disposés sur le demi-cercle compris entre θ=-π/2 et θ=π/2 en passant par θ=0 étant de préférence dans un même sens et ce dernier étant contraire au sens dans lequel les courants parcourent les fils conducteurs disposés sur le demi-cercle compris entre Θ— π/2 et θ=π/2 en passant par θ= π, l’expression de la DSF de la densité de courant normalisée j(9) équivalente aux N ensembles de fils conducteurs en plus de la paire de fils conducteurs centraux en Θ = 0 et 7Γ devient
(éq.6) où Θ est l’angle azimutal sur le cercle et θη sont les N angles définissant la position de chacun des N ensembles de fils conducteurs, les quatre fils conducteurs de chaque ensemble étant disposés en θη, -θη, π-θη et -π+θη.
La détermination des θη du système permet de se rapprocher d’une distribution idéale cosinusoïdale revient à résoudre le système d’équations suivant :
(éq.7)
Ainsi, dans cette variante, l’antenne comporte un brin central et N ensembles de fils conducteurs où N est un nombre entier supérieur à 1, la position des brins étant définie par les angles θη solutions du système (éq.7). A titre illustratif, on peut considérer le cas à un ensemble de fils conducteurs : N=l. Le système d’équations se réduit alors à: cos (3θι)= 0, dont la solution est θι = π/6. Ainsi, l’ensemble comporte quatre fils conducteurs disposés en θι, -θι, π-θι et -π+θι. Dans ce cas précis, l’homogénéité du champ magnétique généré (Bi) à 10% de la valeur maximale est d’environ 60 % sur le diamètre.
Pour N=2, le système d’équations deviern
dont les solutions sont θι = π/15 et Θ2 = 4π/15. Ainsi, le premier ensemble de fils conducteurs comporte quatre fils conducteurs disposés en θι, -θι, π-θι et -π+θι et le deuxième ensemble de fils conducteurs comporte quatre fils conducteurs disposés en Θ2, -Θ2, 71-Θ2 et -π+02. Ces deux conditions donnent lieu à une nouvelle configuration de bobines dont l’homogénéité à 10% est de 80% sur le diamètre, telle qu’illustré sur les figures 5a à 5c. La zone d’homogénéité à 10% est alors supérieure de plus de 20% à celle de la bobine selle.
Pour les valeurs supérieures de N, une résolution numérique peut être utilisée pour déterminer les angles.
Les brins peuvent être respectivement reliés à une extrémité par au moins deux conducteurs, par exemple deux, ces conducteurs étant disposés à une même hauteur dans la direction Z.
La ou les sources de courant et/ou de tension peuvent générer des courants de sens opposés dans les brins reliés par l’un de ces conducteurs relativement à ceux reliés par l’autre de ces conducteurs, et ce pendant l’émission de la séquence d’impulsions du champ magnétique RF.
Dans une variante, l’antenne filaire courte est monobrin. Dans ce cas, une pluralité d’antennes peut être mise en place pour obtenir le champ magnétique oscillant RF selon l’invention. L’invention permet également de réaliser de nouvelles configurations d'antennes.
Les brins peuvent comporter une portion radiale qui s’étend radialement depuis un centre dans un plan perpendiculaire à l’axe z. La portion radiale peut être suivie par une portion s’étendant parallèlement à la direction Z. Les portions radiales peuvent être en forme d’étoile ou disposées autrement.
Les brins de l’antenne peuvent être flexibles. Ainsi, les brins peuvent épouser la forme d’une région de l’objet à imager, ce qui permet de gagner en rapport signal/bruit et d’offrir des possibilités de réalisation de nouvelles conformations d'antennes, au détriment éventuellement de l'homogénéité du champ magnétique créé par les brins lors de l'émission et induit dans les brins lors de la réception. L’invention a encore pour objet un système d’antennes pour l’émission d’une séquence d’impulsions de champ magnétique RF et la détection de signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN) dans un procédé d’imagerie et/ou de spectroscopie par RMN, comportant une première et une deuxième antenne filaire courte selon l’invention, les deux antennes filaires courtes étant imbriquées de manière tête-bêche l’une par rapport à l’autre.
De préférence, les brins de la première antenne ont sensiblement la même longueur que les brins de la deuxième antenne. L’invention a encore pour objet un procédé d’imagerie et/ou de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), comportant au moins les étapes consistant à générer un champ magnétique constant B0 dans une région où est situé un objet à examiner, émettre au moins une séquence d’impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF), détecter des signaux de RMN, procédé dans lequel l’émission de la ou des séquences d’impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF) est réalisée par une antenne filaire courte ou un système d’antennes selon l’invention, tels que définis ci-dessus.
Le champ Bo est en général dans le domaine de plusieurs mT à quelques T. Le rapport Bo/Bi des intensités des champs B0 et Bi, pour l’imagerie du proton, est en général compris entre 10 et 106.
La détection des signaux peut être réalisée par tout moyen adapté, notamment par une ou plusieurs antennes inductives. L’utilisation d'antennes filaires courtes permet de se servir de l'inhomogénéité du signal dans la direction Z liée aux temps de propagation, pour localiser les spins à l'émission. L’antenne selon l’invention telle que définie plus haut peut être configurée pour réaliser la sélection de coupe dans un procédé d’imagerie et/ou de spectroscopie par RMN. L’invention permet de s’affranchir de la présence d’une bobine de gradient pour la sélection spatiale dans au moins une direction, et offre la possibilité de combiner la sélection spatiale et l’excitation RF.
La dépendance du courant de l'antenne filaire multibrin courte à la position z sur le brin permet de sélectionner spatialement, au moins dans la direction Z, des signaux de RMN à détecter, au moyen d'une séquence d'impulsions radiofréquence appropriée.
Par exemple, des séquences d'impulsions radiofréquence appropriées permettant d’effectuer la sélection spatiale dans un champ oscillant sont exposées dans les publications de Hoult : «Rotating Frame Zngmatography » publiée en 1979 dans le « Journal of Magnetic Résonance », de Cox & Styles « Towards Biochemical Imaging » publiée en 1980 dans le «Journal of Magnetic Résonance » et prolongée par Blackledge et al. dans « The Elimination of Transmitter-Receiver Phase-Twist Artifacts in the Phase-Modulated Rotating-Frame Imaging Experiment» publié en 1988 dans le «Journal of Magnetic Résonance » ainsi que la publication de Sharp et al. susmentionnée.
Dans ces publications, le champ oscillant Bi ayant une direction variable est généré grâce à des bobines émettrices RF. La bobine RF utilisée en émission est conçue de façon à favoriser l’apparition d’un gradient de champ magnétique RF (Bi) dans une direction x tel que
Ainsi, l’angle de bascule θ(χ) dépend de l’intensité du champ Bi vu par les spins à la position x, i.e. Bi(x). Après application du champ RF pendant une durée τ, l’angle de bascule sera
Selon l’invention, le gradient de champ magnétique RF (Bi) peut être réalisé grâce à la dépendance du courant à la position z sur un brin de l’antenne courte.
En effet, le champ RF B] créé par une antenne filaire courte multibrin peut s’écrire approximativement sous la forme Bi=kl0 (1-z/L), conformément à l’équation (3.a) pour une antenne filaire courte monopole de longueur L où Io représente le courant d’alimentation de l’antenne et k est un coefficient de sensibilité dépendant des paramètres géométriques de l’antenne. Ce coefficient peut s’obtenir par calcul ou par simulation numérique.
Ainsi, en substituant Bi dans l'équation (1), on obtient:
éq. (8).
En considérant maintenant que l'antenne est alimentée lors d’un « puise de calibration » par le courant I0 pendant une durée τ telle que θι=π/2 à une position z=zre/, l'équation (4) devient :
éq. (9)
Par exemple, zréf est choisi près du centre de l'échantillon pour ensuite étendre le champ de vue spatial.
Le rapport entre les équations (8) et (9) permet d'exprimer la dépendance de l'angle de bascule en fonction de la position z, à savoir θι(ζ), quelle que soit la méthode utilisée pour choisir la localisation spatiale des signaux de RMN à détecter, par exemple l’ajustement de l'intensité du champ B} par le courant d’alimentation /odes antennes lors du puise de calibration ou de la durée d'application τ du puise de calibration:
éq. (10) L'angle de bascule Θ/, et donc l'intensité du signal, est alors fonction des conditions d'obtention du puise de calibration à π/2 à z=zréft i.e. Ιο, τ, etc. et de la position z.
Toutefois, la nutation des spins a lieu dans le plan y’-z’ du repère tournant, ce dernier étant défini par les axes x’, y’, z’. De façon conventionnelle, par exemple telle que décrite dans la publication de Hoult citée plus haut, Taxe z’ du référentiel tournant coïncide avec Taxe z, qui est parallèle à Bo, tandis que les axes x’ et y’ sont tournant à la fréquence de Lamor ω0. L’application d’un puise π/2 homogène dans la direction perpendiculaire permet de basculer les aimantations dans le plan x’-y’ du repère tournant. Le signal de RMN appelé « Free Induction Decay » (FID) prend la forme ci-dessous :
éq. (11)
La séquence est ensuite répétée pour diverses valeurs de τ, par exemple de 0 à Tmax d’après Hoult, dont le nombre de répétitions dépend de la résolution souhaitée. L’application de plusieurs puises de durées τ variables se traduit par une modulation de la phase de la FID. L’application d’une transformée de Fourier permet ensuite de mettre en évidence la modulation de la phase causée par le gradient de champ RF :
Un exemple de séquence de puise 1D appropriée est présenté en figure 8.
Selon la publication «MRI using radiofréquence magnetic field phase gradients » de Sharp et al. susmentionnée, après l'application du puise de calibration permettant la bascule à π/2 à z=zréf, une succession d'impulsions à π en z=zréf permet d'accentuer la sélection spatiale, et offre un moyen simple de sélectionner une coupe.
Une méthode alternative de sélection spatiale des spins, i.e. de sélection de coupe utilisant le champ RF, par exemple sur la base de la publication de Blackledge et al., consiste à appliquer une succession de puises RF favorisant l’excitation cohérente d’une région de l’espace tandis que des interférences destructives sont obtenues ailleurs. Il est notamment proposé d’appliquer une succession de puises en suivant la relation suivante :
éq.(12)
Des combinaisons de différents puises permettent ensuite de favoriser la sélection spatiale. Par exemple Blackledge propose une séquence comportant 20 bascules à π/2 suivies de 14 puises à -3π/2 puis de 5 puises à 5π/2 et enfin un puise à 7π/2. Par addition des acquisitions successives, la détection est rendue sensible à une coupe spatiale d’enveloppe Gaussienne. L’épaisseur de sélection dépendra in fine, de l’intensité du gradient.
Pour sélectionner spatialement une nouvelle coupe à une hauteur quelconque z dans le volume de mesure, il peut suffire d'ajuster soit la durée τ d'application du puise de calibration de la séquence d’impulsions RF, soit l'intensité Io d’alimentation de l’antenne lors de l’application du puise de calibration.
La dépendance de l'angle de bascule Θ] de la région de l’objet à examiner à la position le long du brin peut être utilisée pour sélectionner une coupe selon l’axe z et permet de remplacer une bobine de gradient de l'IRM dans au moins une direction.
La sélection spatiale ainsi obtenue présente un intérêt particulier puisqu'elle peut satisfaire à la mesure de flux (par des méthodes d'entrée de coupe) dans une application de RMN portable pour l'étude de la physiologie des plantes.
Le procédé peut ainsi comporter au moins une étape de sélection spatiale d’un plan x-y de détection de position zo selon l’axe z, par exemple en choisissant une durée ou une amplitude d’un puise de calibration de la séquence d'impulsions radiofréquence ; en particulier, on peut ajuster une durée (τ) d’application du puise de calibration, ou bien une tension ou une puissance d’alimentation de l’antenne lors de l’application du puise de calibration.
La sélection spatiale peut permettre de sélectionner la région à examiner dans un plan x-y perpendiculaire à l’axe z dans le volume de mesure.
En vertu du théorème de réciprocité qui stipule la symétrie des propriétés des antennes en émission et en réception, cette dépendance du courant à la position z intervient aussi en réception, et l’on peut alors la compenser en utilisant des configurations symétriques pour moyenner cette dépendance et obtenir un résonateur volumique homogène. L’invention a ainsi aussi pour objet un procédé d’imagerie et/ou de spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN), comportant au moins les étapes de génération d’un champ magnétique constant B0 dans une région contenant un objet à examiner, d’émission d’au moins une séquence d’impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF), et de détection de signaux de RMN, procédé dans lequel la détection des signaux de RMN est réalisée par un système d’antennes selon l’invention.
Cet aspect de l’invention permet de s'affranchir de la dépendance des signaux détectés à la position du brin, comme expliqué plus haut.
Un système d’antennes filaires courtes selon l’invention peut être utilisé uniquement soit en émission soit en réception. Dans le cas d’une utilisation uniquement en émission, la détection du signal de résonance magnétique nucléaire (RMN) peut être réalisée par une ou plusieurs antennes inductives. Dans le cas d’une utilisation uniquement en réception, l’émission de la séquence d’impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF) peut être réalisée par une ou plusieurs antennes inductives. Dans ce dernier cas, des circuits de découplage à base de diode PIN peuvent être associés au système. Ces circuits sont par exemple connus de la publication «Electronic decoupling ofsurface-coil receivers for NMR imaging and spectroscopy » de Edelstein et al. publiée en 1986 in the «Journal of Magnetic Résonance ».
En variante, un système d’antennes filaires courtes selon l’invention peut être utilisé à la fois en émission et en réception. Cela permet alors de réaliser l’excitation RF dans la région à examiner et la détection des signaux RMN avec un seul et même dispositif.
Les procédés selon l’invention peuvent comporter une étape de traitement des signaux de RMN détectés. Une image représentative de la région de l’objet à examiner peut être générée à partir des signaux traités.
La sélection spatiale des spins dans un plan, selon cet aspect de l’invention, peut aussi être obtenue en sélectionnant l'une des première et deuxième antennes filaires tandis que les deux antennes filaires multibrins sont combinées à la détection pour s'affranchir de la dépendance du signal détecté à la position sur le brin.
Les brins sont de préférence accordés à la fréquence d'observation des signaux de RMN. L'antenne filaire peut être placée dans n'importe quelle direction par rapport au champ statique B0. Toutefois, la direction de détection de l'antenne filaire est la direction orthoradiale au brin de la composante magnétique RF ou bien la direction colinéaire de la composante électrique RF.
Chaque antenne ou chaque réseau d’antennes peut être relié à un amplificateur de proximité pendant l’étape de réception.
Chaque antenne ou chaque réseau d’antennes peut être associé à un circuit électrique d’accord de fréquence. Ce circuit électrique d’accord de fréquence peut comporter au moins un condensateur ou une inductance monté en série avec au moins l’un des brins.
Dans une variante, chaque antenne ou chaque réseau d’antennes est associé à un circuit électrique d’adaptation d’impédance comportant au moins un condensateur ou une inductance monté en parallèle avec au moins un brin.
Les brins de la ou des antennes peuvent être flexibles. Le procédé peut comporter une étape de mise en place des brins sur la région de l’objet à examiner de manière à épouser au moins partiellement la forme de ce dernier. L’utilisation de l’antenne selon l’invention permet de réaliser un dispositif compact de spectrométrie par RMN ou d’IRM, et de préférence portable.
La ou les antennes peuvent être utilisées en étant immergées dans un échantillon en phase liquide, solide ou gazeuse comportant une matière à caractériser, par exemple une matière dont les noyaux possèdent un moment magnétique. Ceci peut être utile pour l’analyse par spectroscopie de composés chimiques ou biologiques.
Dans une variante, la ou les antennes sont utilisées en dehors d’un échantillon comportant une matière à caractériser.
Le procédé peut être utilisé pour identifier des composés, par exemple chimiques ou biologiques, par exemple des molécules, dans des applications pharmaceutiques, précliniques et/ou agroalimentaires.
Le procédé selon l’invention peut être utilisé pour analyser le stress hydrique et/ou la structure des tissus dans des végétaux. Le procédé comporte alors une étape de traitement du signal délivrant une image représentative de la teneur en eau d’un végétal. L’invention trouve aussi à s’appliquer dans le domaine médical. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de l’invention, et au vu du dessin annexé, sur lequel : - La figure 1 représente, de manière schématique, une antenne à champ homogène dans un plan x-y, comportant des brins déphasés à l’alimentation de 180°; - la figure 2 illustre en perspective l’intensité du champ magnétique Bi crée avec un exemple de répartition de brins permettant l’obtention d’un champ homogène dans un plan x-y de la figure 1, obtenu à l'aide d'un logiciel de simulation par éléments finis; - la figure 3 est une vue par le bas de la cartographie de Bi dans le plan x-y de la figure 2, qui illustre l’homogénéité obtenue dans un plan à une hauteur quelconque; - la figure 4 est une vue de la cartographie de Bi dans le plan z-y de la figure 2, qui illustre la dépendance de l’intensité du champ à la position sur la hauteur du brin; - les figures 5a à 5c représentent un autre exemple de répartition de brins pour l’obtention d’un champ homogène dans un plan x-y; - la figure 6 représente de manière schématique un système d’antennes filaires courtes selon l’invention; - la figure 7 illustre de manière schématique un circuit d'accord et d'adaptation relié à un brin conducteur; - la figure 8 représente une séquence de puise 1D connue pour accentuer la sélection spatiale; et - la figure 9 représente de manière schématique une variante d’antennes filaires courtes selon l’invention.
La référence z est employée dans la présente demande pour désigner à la fois l’axe z et la coordonnée d’un point selon cet axe z, comme couramment fait pour les repères orthogonaux.
On a représenté à la figure 1 un réseau d’antennes 1 selon l’invention pour l’émission d’une séquence d’impulsions radiofréquence (RF).
Le réseau comporte deux antennes filaires courtes 13 et 14, alimentées par une source de tension 8.
Chaque antenne 13 ou 14 comporte une pluralité de brins conducteurs 31 et 41. Les brins 31 et 41 ont une même longueur L et s’étendent selon une direction définissant l’axe z d’un repère orthogonal. La longueur L dépend du champ et des noyaux et elle est par exemple comprise entre 10 mm et 100 mm pour l’observation d’un proton dans un champ de 9,4 T.
Dans l’exemple considéré, les brins 31 de l’antenne 13 sont reliés ensemble à une extrémité 90 par un conducteur 37 à une même hauteur z selon l’axe z et de même les brins 41 de l’antenne 14 sont reliés ensemble à une extrémité 90 par un conducteur 47 à la même hauteur selon l’axe z.
Les conducteurs 37 et 47 sont sous forme d’arcs dans l’exemple illustré. Les brins 31 et 41 définissent ainsi les limites d’un volume de mesure, sensiblement cylindrique et s’étendant suivant un axe longitudinal parallèle à l’axe z. L’objet à examiner est par exemple introduit par des ouvertures supérieure ou inférieure du volume de mesure.
En variante, le volume de mesure est construit autour du volume à examiner, les antennes étant mises en place autour de l’objet à analyser.
Les conducteurs 37 et 47 sont reliés en leurs milieux respectifs C3 et C4 à la source de tension 8.
Dans l’exemple de la figure 1, afin d’obtenir une homogénéité de champ magnétique oscillant Bi dans le volume de mesure, un déphasage est créé dans l’alimentation des antennes 13 et 14. L’antenne 14 est reliée à la source de tension 8 au moyen d’un déphaseur à 180° 6, de façon à générer dans les brins 31 des courants Ii de sens opposés à ceux parcourant les brins 41 de l’antenne 14. A une position donnée selon l’axe z, ces courants présentent substantiellement la même valeur pour les brins 31. Il en est de même pour les brins 4L
Les positions de brins 31 et 41 peuvent être déterminées par la méthode suppression des harmoniques de la DS représentant la loi de distribution de la densité de courant par l’éq (4).
Les figures 2 à 4 illustrent, pour le cas N=3, une répartition des brins selon cette méthode. On obtient θι = 11,66°, θ2 = 26° et Θ3 = 56°, dont chaque angle θι, θ2 et Θ3 définit la position d’un ensemble de fils conducteurs comportant quatre brins autour de l’axe z.
La simulation électromagnétique a été réalisée à une fréquence de 200MHz pour une antenne comportant douze brins de longueur de 3cm.
Les intensités différentes du champ magnétique B1 sont matérialisées par des teintes différentes.
Le champ magnétique Bi ainsi obtenu est de direction parallèle aux plans Px.y perpendiculaires à l’axe z. Comme illustré à la figure 3, le champ magnétique Bi est sensiblement homogène au sein de chacun de ces plans Px.y.
La valeur du champ Bi diminue linéairement selon l’axe z depuis une hauteur correspondant aux extrémités supérieures 90 des brins 13 et 14 respectivement liées au conducteurs 37 et 47 jusqu’à une hauteur définie par les extrémités libres 10 des brins 13.
Dans une variante, les brins des deux antennes 13 et 14 sont tous reliés à un seul conducteur, par exemple sous forme d’un anneau, et forment ainsi une seule antenne en émission selon l’invention favorisant ainsi l’apparition d’un gradient de champ RF dans le plan x-y. D’autres répartitions de brins par un routage adéquat et des configurations d'alimentation appropriées ne sortent pas du cadre de la présente invention.
Si la dépendance radiale est sensiblement éliminée dans le volume de mesure délimité par les antennes 13 et 14, la dépendance de l'intensité du signal à la position de l'objet par rapport à la hauteur du brin s’avère avantageuse pour la localisation du signal.
Le théorème de réciprocité indique que le gain en émission et le gain en réception sont liés, ce qui permet de prédire que la sensibilité en réception dépend de la position sur le brin et de la distance radiale au brin.
La figure 6 illustre un système selon l’invention qui peut être utilisé à la fois pour l’émission des séquences d’impulsions de champ magnétique radiofréquence (RF) et pour la détection des signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN).
Le système comporte des première et deuxième antennes filaires courtes 17 et 12. Chaque antenne 17 et 12 comporte une pluralité de brins 71 et 21.
Dans l’exemple illustré, les brins 71 et 21 s’étendent parallèlement à une direction définissant l’axe z d’un repère orthogonal. Les brins 71 de la première antenne 17 ont de préférence sensiblement la même longueur que les brins 21 de la deuxième antenne 12 pour assurer l’homogénéité du champ.
Les brins 71 de la première antenne 17 sont tous reliés à leur extrémité supérieure à un conducteur 77 à une première altitude z\ selon l’axe z et les brins 21 de la deuxième antenne 12 sont tous reliés à leur extrémité à un conducteur 27 à une deuxième altitude z2 selon l’axe z, avec z2<zi.
Les brins 71 de la première antenne 17 sont imbriqués et disposés de manière tête-bêche entre les brins 21 de la deuxième antenne 12.
Chaque antenne 12 et 17 est reliée, au moyen d’un interrupteur électronique 54, à une source d’alimentation 87 et 82 à l’émission et à une sortie Pouti et Pout2 à la détection.
Les antennes 12 et 17 présentent une dépendance à la position z à l’émission. En vertu du théorème de réciprocité, il en est de même en réception, ce qui signifie que la détection est plus ou moins sensible selon la position z. Cette dépendance à la réception est compensée par l’addition des signaux détectés par les antennes 12 et 17.
En effet, les intensités des signaux /7 et/2 détectés par les deux antennes 12 et 17 peuvent s'exprimer chacune comme une fonction de la position z:
éq. (13) où Io représente le courant de sortie en réception et L la longueur des brins 21 et 71.
La résultante I(z) ne présente alors plus de dépendance à la position z, au moins à la détection :
éq. (14)
En utilisant le système selon la figure 4, l’émission des séquences d’impulsions de champ magnétique radiofréquence ainsi que la sélection spatiale des spins dans un plan peuvent être réalisées en sélectionnant l'une ou l'autre des deux antennes 11 et 12 alimentées respectivement par des sources d’alimentation 81 ou 82 à l'émission, tandis que les deux antennes 11 et 12 sont combinées à la détection pour s'affranchir de la dépendance du signal détecté à la position le long des brins. Les sorties Pouti et Pout2 sont dirigées vers des amplificateurs de signaux 71 et 72.
Pour augmenter l’efficacité des antennes en réception, des antennes filaires courtes 12 et 17 peuvent être associées à un ou plusieurs circuits 9 d'accord et d'adaptation. Cela se fait classiquement pour les bobines inductives utilisées en spectroscopie et imagerie par RMN. Comme expliqué dans la publication “Tunable electrically small Antennas” de John A.M. Lyon, Alan G-T Cha and Mohamed A. Hidayet, les circuits d'accord et d'adaptation employés pour les antennes filaires courtes sont duaux de ceux qui sont utilisés pour les bobines.
Dans l’exemple illustré à la figure 6, chaque antenne 11 et 12 est associée à un circuit d’accord et d’adaptation 9.
Un exemple d’un circuit d'accord et d'adaptation 9 est illustré en figure 7. Le circuit comporte un condensateur Ct et une inductance L montés en série avec le brin conducteur 1 pour accorder la fréquence, mais aussi un condensateur en parallèle Cm pour adapter l'impédance. Comme expliqué dans la publication “Tunable electrically small Antennas”, cette configuration de circuit d'accord est connue pour permettre de se rapprocher d'une antenne quart-d'onde (λ/4) lorsque la place disponible est réduite. L’invention n’est bien entendu pas limitée aux modes de réalisation décrits, et en englobe toutes les variantes.
Par exemple, les brins peuvent être disposés de manière uniforme autour d’un axe passant par le centre C et parallèle à l’axe z. Des composants électroniques tels que des condensateurs et des inductances peuvent être associés aux brins pour obtenir un déphasage des courants dans les brins de la ou des antennes filaires dans des configurations différentes des brins, par analogie avec les antennes « birdcage ».
La figure 9 illustre une antenne filaire multibrin monopole 16 en étoile, utilisée en réception seule. Cette antenne 16 épouse par exemple la forme de l’objet à imager.
Un système d’IRM ou de spectrométrie pour la mise en œuvre de l’invention peut comporter entre autre un aimant ou un électroaimant générant un champ permanent B0 dans la direction Z. La présence d’une bobine de gradient n’est pas nécessaire mais ne sort pas du cadre de la présente invention.
Aussi, pour des raisons de simplicité, des systèmes de contrôle des champs B0 et de la ou les sources de tension pour la génération du champ Bi n’ont pas été représentés.
Les systèmes pour le traitement des signaux et images et éventuellement d’affichage n’ont pas été représentés non plus. L'antenne filaire courte peut être refroidie pour réduire son bruit intrinsèque et donc augmenter son rapport signal sur bruit. L'antenne filaire courte peut être réalisée sur un support souple pour s'adapter à la forme de l'objet.
SHORT-TERM FIELD ANTENNA FOR USE IN SPECTROSCOPY AND NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE IMAGING
The present invention relates to short multi-stranded wire antennas and their uses in the near field in imaging and / or nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR) methods.
The phenomenon of NMR, which is revealed when a nuclear magnetic moment is placed in a magnetic field (Bo), has emerged since its discovery as a means of investigation by essential spectroscopy in chemistry and physics. The addition of magnetic field gradient coils allowed the localization of the NMR signal and marked the advent of NMR imaging. The gradient coils modify the local magnetic field allowing, in fine, to carry out nuclear magnetic resonance (MRI) images. In a homogeneous magnetic field Bo, the spins of the sample observed precede at the frequency of Larmor (a> o) according to ω0 = γΒο. If one superimposes on the main field B0 that generated by the gradient coils:
the expression of the resulting field shows that the frequency of spin precession depends on their position:
Thus, the magnetic field created by the gradient coils allows in particular to select a cutting plane (transverse, frontal, sagittal or oblique) and to determine the spatial location of the signals in this plane.
However, the use of gradient coils leads to complex and bulky systems with many drawbacks: cost, high power consumption, noise, and justify the interest for a location of the gradient-free NMR signal, as illustrated in the publication of Sharp et al. : "MRI usïng radiofrequency magnetic fieldphase gradients". In addition, there is emerging interest in portable MRI equipment for which the integration of gradient coils is a major difficulty.
The detection of the NMR signal has historically been achieved by the physical phenomenon of electrical induction by means of a receiving antenna comprising one or more coils tuned to the frequency of the core to be measured in the magnetic field B0 and adapted to the impedance standard 50 Ohms, as shown for example the publication "The nuclear induction experiment" by Bloch F. et al. This detection mode remains the rule.
A large variety of coils was developed and was used to observe the NMR signal: Helmholtz coil, saddle coil, bird cage coil or millipede coil, as illustrated in the book " NMR Probehead: for Biophysical and Biological Experiments, "Ed. Imperial College, (2006) of Mispelter, Lupu & Watch. All these coils belong to the category of antennas with inductive detection whose measurement principle is mainly based on the appearance of a voltage proportional to the magnetic component of the electromagnetic radiation, unlike wired antennas whose principle of measurement is essentially due to the appearance of an electric current depending on the electrical component of the electromagnetic radiation.
In order to be able to carry out NMR experiments, in addition to the strong and stable main static magnetic field Bo, often produced by a superconducting magnet which creates alignments of the magnetic spin moments at the field B0, a weaker oscillating magnetic field Bi in the field of radio frequency (RF), is necessary. This oscillating field Bi is in the form of an RF pulse sequence and is traditionally produced by means of emitting coils and applied so as to slightly modify the alignment of the magnetic moments (spins) and to produce a precession phenomenon of the nuclear magnetizations which remain in phase in the plane transverse to B0 which is accompanied by a measurable electromagnetic field.
It is necessary to tune the operating frequency of the transmitting coils to the frequency of the cores to be imaged and to adapt their impedance (at the intended operating frequency) to the input impedance of the power amplifier (standard of 50 Ohms), so as to optimize power transfer. Thus, the application of the field Bi for a duration τ, will switch the magnetization towards the plane of the detection of an angle:
eq. (1)
In practice, the MRI sequences use either combinations of RF pulses (π / 2 + π), known as the spin echo sequence, to compensate for the inhomogeneities of the static field Bo, or a simple toggle of a given angle Θ], a sequence known as gradient echo. The application of radiofrequency pulses in relation to those of the magnetic field gradients allows the spatial location of the signal.
When the coils are only used in reception, the impedance matching is less restrictive and the simple tuning of the operating frequency may be sufficient. Many tuning-adaptation electronics configurations may be used for the coils, as illustrated in the aforementioned Mispelter, Lupu & Briguet publication, or in the "Tunable electrically small Antennas" publication by John AM Lyon, Alan GT Chaet Mohamed A. Hidayet.
It is generally sought to obtain a homogeneous signal, that is to say a monodirectional field Bi and of constant amplitude over the largest possible volume, which requires conformations of specific coils, for example solenoid coil, Helmholtz coil, saddle coil, etc. whose dimensioning is then constrained by the respect of geometric rules. For example, in the case of Helmholtz coils, the distance between the two turns must be equal to their radius. There are also constraints on the lengths of the wires, which are typically less than λ / 10, where λ is the wavelength associated with the RF field used, according to the publication of Mispelter, Lupu & Briguet. The homogeneity of the signal is then the result of homogeneity on transmission, with a flip-flop angle that depends on the location of the spin:
and detection that is proportional to the factor
Finally, the NMR signal (e) provided by an inductive antenna undergoes this double dependence in the form:
eq. (2) This is the reason for designing coils for which the volume of interest has the best possible homogeneity of B ± (x, y, z) in terms of direction and amplitude. This is often done by appropriate configurations of conductor wire distribution and phase shift currents flowing through the son.
A known example is that of the so-called bird cage or "birdcage" coil disclosed by Hayes et al. in the article "An Efficient, Highly Homogeneous
Radio Frequency Coil for Whole Body NMR Imaging at 1.5T. In a "birdcage" coil, a plurality of N conducting wires, arranged uniformly between two conducting rings and each having a capacitance, will produce a phase shift δφ of the current within each conductor at a given pulse ω, where ω = 2π where f is the frequency of the coil feed current. The total phase shift is a multiple M of 2π, that is Νχ δφ = Μ2π, in order to favor a sinusoidal distribution of the current between the N wires, a condition known for obtaining the homogeneity of the generated magnetic field. Thus, the "birdcage" coil makes it possible to create an RF oscillating magnetic field Bi which is substantially homogeneous in the cylindrical volume inside the coil.
Another configuration is disclosed by Bolinger et al. in "A Multiple-Frequency Coil with a Highly Uniform Bj Field", where the temporal phase shift of the currents is replaced by a non-uniform distribution of the conductors. Currents have the same value in all threads. The conductive wires are arranged around a cylinder, so as to favor a distribution of the current density defined by the equation
where Θ is the cylindrical azimuth angle of the wire.
US Patent 5270656 discloses a bi-planar system having coils in two parallel planes to create a homogeneous RF field in a volume between these planes.
In addition, we are also seeing new detection methods such as the one offered by wired antennas. These wired antennas are tuned in frequency and impedance-adapted by design, using a characteristic length λ / 4 on a dielectric substrate, as explained in the publication by Raaijmakers AJ et al. : "Design of a Radiative Surface Coil Array Element at 7T: The Single-Side Adapted Dipole Antenna". They can be used in far field by modulating the thickness of the dielectric substrate, but also in the near field as described in the publications of O. Ocali and E. Atalar: "Intravascular magnetic resonance imaging using a loopless catheter antenna" or Halidi et al. : "Evanescent Waves Nuclear Magnetic Resonance".
US Patent 6771070 discloses an antenna system used for detecting electromagnetic signals. The system includes conductive strands arranged in parallel, each connected to a receiving chain. The strands are tuned to the frequency of the signal to be detected and of a length equal to an integer multiple of λ / 4 where λ is the wavelength of the signal to be detected.
The wired antennas can be combined to form an array of antennas to cover a region of the given space and thereby produce an image, as indicated in the publication by Raaijmakers AJ et al.
In the case of short wired antennas, monopole or dipole of length L "X, for example L less than λ / 10, the tuning in frequency and the impedance matching can be obtained by means of a circuit of agreement-adaptation as illustrated in the aforementioned publication of John AM Lyon, Alan Cha GT and Mohamed A. Hidayet.
A major disadvantage of using short monopole antennas to detect an NMR signal is a reduced field of view at the nearest spins of the antenna strand. To overcome this drawback, several wired antennas used in the far field can be networked to cover a region of space, surface or volume, as explained in the publication by Raaijmakers AJ et al. This solution, however, requires substantial instrumentation since each wire antenna is associated with a reception transmission channel.
In the case of short wired antennas, there is a dependence of the signal strength at the position of the transmitter object with respect to the height of the strand. "Short" means an antenna length L that satisfies the following criterion: <λ / 10.
In the case of short wired antennas, the intensity of the induced current along the antenna is known to be linearly related to the position of the spins relative to the strand, as explained in the article "Antenna Fundamentals" of the National Radio Astronomy Observatory available on the website: http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/AntennaTheory.html.
For a monopole antenna of length L, this dependence is thus expressed in the form:
eq. (3.a)
For a dipole antenna of length L, this dependence becomes:
eq. (3b) where Io is the power supply current when the antenna is used in transmission and output when the antenna is used in reception, z being the position on the strand.
Compared to the design habits of the detection devices in NMR or MRI, this dependence can be interpreted as a disadvantage, for example as explained in the publication of Mispelter, Lupu & Briguet, which led to the use of the wired antennas type dipole preferentially in the far field according to the publication by Raaijmakers AJ et al. MRI remained, given its complexity, its size and its cost, the prerogative of applications to health. However, in areas such as agronomy, where it is essential to measure the amount of water in plants, its use seems relevant and would in any case be an alternative to invasive methods that are appropriate. However, to be relevant, the technique should be transportable to allow for in situ measurements. The simplification of the hardware of the NMR spectroscopy and / or the PIRM thus has a certain interest vis-à-vis this type of application. The invention thus seeks to further improve nuclear magnetic resonance imaging methods, in order to overcome the disadvantages mentioned above. The invention firstly relates to a short wire antenna for transmitting a sequence of radio frequency (RF) magnetic field pulses in an imaging and / or nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) method. short wired antenna having a plurality of strands extending at least partially in a Z direction, in an orthogonal coordinate system having a Z axis defined by the Z direction, the strands being arranged in such a way that the currents traversing the strands of each antenna have the same intensity at the same position along the z axis.
The antenna or antennas are preferably used in the near field. The short wired antenna according to the invention is an antenna whose length L is less than λ / 10, λ preferably being the wavelength of the RF radiation emitted in the context of the MRI or NMR spectroscopy methods. In general, the wavelength of the radiofrequency radiation used in NMR, intended for the excitation of the protons, in particular H +, is of the order of one meter, for example respectively 1.5m and 75cm for the H + in respective fields. 4.7T and 9.4T.
By "strand extending at least partially in the direction Z", it should be understood that the strand extends in a direction having at least one non-zero component parallel to the direction Z over at least a part of its length.
For example, the strands comprise a portion that extends parallel to the Z direction or the strands extend parallel to the Z direction. In a variant, the strands each have a curved portion forming a meridian in the Z direction.
Each strand comprises for example a single conductor acting as monopole wire antenna or dipole.
The strands of the antenna may delimit a measuring volume, for example substantially cylindrical, and preferably having at least one opening in the Z direction. A region of an object to be examined is present in the measurement volume. The antenna is powered by at least one current and / or voltage source for transmitting the RF field pulse sequence.
The strands may have the same length (L), which ensures the best homogeneity of the created RF field.
Preferably, the distribution of the strands around the z axis and the phases of the currents flowing through them are such that the antenna creates a homogeneous RF oscillating magnetic field in each of the xy planes perpendicular to the z axis, in particular in the volume of measured. The RF oscillating magnetic field corresponds, when the antenna is powered, to the emitted RF magnetic field pulses. By "a homogeneous magnetic field in a plane xy", it should be understood that, in at least one region of said plane, the variation of the amplitude of the magnetic field with respect to its maximum value is less than 10%.
Such a configuration is for example known from Bolinger's work mentioned above on inductive antennas. In order to be closer to a cosino-regular distribution of the current density on the circumference of a circle, a condition known to favor the homogeneity in the transverse plane of the magnetic field, Bolinger proposes a simple rule of conductor distribution at the periphery such as as illustrated in Figure 1 of the work, in which equal length intervals along the diameter of a circle, projected on the circumference of said circle, allow the positioning of the conductors ("The wire positions are most easily found by construction geometry where intervals of equal length are projected on the circumference "). According to Bolinger, a "good" homogeneity can be achieved with this configuration in a number of cases.
Another configuration is based on the cancellation of the harmonics of the Fourier series decomposition (DSF) associated with the distribution of the electrical conductors of the winding. This configuration is preferable for the homogeneity of the magnetic field generated or induced by the coils in general and the present invention in particular.
In the DSF method, for N sets of conducting wires distributed on the circumference of a circle, where each set comprises for example four conducting wires and a conducting wire corresponds to a strand of the multi-strand antenna defined above, and where each of conductive son is traversed by a current I or -I, the currents flowing through the conductive son arranged on the semicircle between θ = -π / 2 and θ = π / 2 passing through 0 = 0 being preferably in the same sense and the latter being contrary to the direction in which the currents traverse the conductive son arranged on the semicircle between θ = -π / 2 and θ = π / 2 passing through θ = π, the expression of the DSF of the normalized current density j (0) equivalent to the N sets of conducting wires is
(eq 4) where 0 is the azimuthal angle on the circle and 0n are the N angles defining the position of each of the N sets of conducting wires, the four conducting wires of each set being arranged in θη, -θη, π-θη and -π + θη.
In order to approach an ideal cosine distribution, it is necessary that the angles 0n cancel the first N harmonics, which amounts to determining the solutions 0n of the following system of equations:
(Eq.5)
Thus the antenna, according to the invention, may comprise N sets of strands where N is an integer greater than 1, the position of the strands being defined by the angles 0n solutions of the system (eq.5).
In the case where the coil comprises for example N set of four conductive son in addition to a pair of two central conductive son, ie in Θ = 0 and π, and where each of the conductive son is traversed by a current I or -I , the currents flowing through the semiconductor conductors lying between θ = -π / 2 and θ = π / 2 passing through θ = 0 are preferably in the same direction and the latter is contrary to the direction in which the currents traverse the conductive wires arranged on the semicircle between Θ- π / 2 and θ = π / 2 through θ = π, the DSF expression of the normalized current density j (9) equivalent to the N sets of conductive wires in addition to the pair of central leads in Θ = 0 and 7Γ becomes
(éq.6) where Θ is the azimuthal angle on the circle and θη are the N angles defining the position of each of N sets of conductive wires, the four conductive wires of each set being arranged in θη, -θη, π- θη and -π + θη.
The determination of the θη of the system makes it possible to approach an ideal distribution cosine is to solve the following system of equations:
(EQ.7)
Thus, in this variant, the antenna comprises a central strand and N sets of conductive wires where N is an integer greater than 1, the position of the strands being defined by the angles θη solutions of the system (éq.7). As an illustration, we can consider the case to a set of conductive son: N = 1. The system of equations then reduces to: cos (3θι) = 0, whose solution is θι = π / 6. Thus, the assembly comprises four conductive wires arranged in θι, -θι, π-θι and -π + θι. In this case, the homogeneity of the generated magnetic field (Bi) at 10% of the maximum value is about 60% over the diameter.
For N = 2, the system of equations devi
whose solutions are θι = π / 15 and Θ2 = 4π / 15. Thus, the first set of conductive wires comprises four conductive wires arranged in θι, -θι, π-θι and -π + θι and the second set of conductive wires comprises four conductive wires arranged in Θ2, -Θ2, 71-Θ2 and - π + 02. These two conditions give rise to a new configuration of coils whose homogeneity at 10% is 80% over the diameter, as illustrated in FIGS. 5a to 5c. The zone of homogeneity at 10% is then more than 20% higher than that of the saddle coil.
For higher values of N, a numerical resolution can be used to determine the angles.
The strands may be respectively connected at one end by at least two conductors, for example two, these conductors being arranged at the same height in the Z direction.
The source or sources of current and / or voltage may generate currents of opposite directions in the strands connected by one of these conductors relative to those connected by the other of these conductors, and during the transmission of the sequence pulses of the RF magnetic field.
In a variant, the short wire antenna is single-stranded. In this case, a plurality of antennas can be put in place to obtain the RF oscillating magnetic field according to the invention. The invention also makes it possible to produce new antenna configurations.
The strands may comprise a radial portion extending radially from a center in a plane perpendicular to the z axis. The radial portion may be followed by a portion extending parallel to the Z direction. The radial portions may be star-shaped or otherwise arranged.
The strands of the antenna can be flexible. Thus, the strands can conform to the shape of a region of the object to be imaged, which makes it possible to gain in signal / noise ratio and to offer possibilities of making new antenna conformations, possibly to the detriment of the homogeneity of the magnetic field created by the strands during the emission and induced in the strands during the reception. The subject of the invention is also an antenna system for the emission of an RF magnetic field pulse sequence and the detection of nuclear magnetic resonance (NMR) signals in an imaging and / or spectroscopy method. by NMR, comprising a first and a second short wired antenna according to the invention, the two short wired antennas being nested in a head-to-tail manner with respect to one another.
Preferably, the strands of the first antenna have substantially the same length as the strands of the second antenna. The subject of the invention is also a method for imaging and / or nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), comprising at least the steps of generating a constant magnetic field B0 in a region where an object to be examined is located, to emit at least one sequence of radiofrequency (RF) magnetic field pulses, detecting NMR signals, wherein the emission of the radio frequency (RF) magnetic field pulse sequence (s) is performed by a short wire antenna or an antenna system according to the invention, as defined above.
The Bo field is generally in the range of several mT to a few T. The Bo / Bi ratio of the intensities of the B0 and Bi fields, for proton imaging, is generally between 10 and 106.
The detection of the signals can be carried out by any suitable means, in particular by one or more inductive antennas. The use of short wired antennas makes it possible to use the inhomogeneity of the signal in the Z direction related to the propagation times, to locate the spins on transmission. The antenna according to the invention as defined above can be configured to perform the sectional selection in an NMR imaging and / or spectroscopy method. The invention eliminates the presence of a gradient coil for spatial selection in at least one direction, and offers the possibility of combining spatial selection and RF excitation.
The current dependence of the short multi-stranded wire antenna at the z-position on the strand makes it possible to spatially select, at least in the Z direction, NMR signals to be detected by means of an appropriate radio frequency pulse sequence.
For example, suitable radio frequency pulse sequences for performing spatial selection in an oscillating field are disclosed in Hoult's publications: "Rotating Frame Zngmatography" published in 1979 in the "Journal of Magnetic Resonance", by Cox &"Towards Biochemical Imaging" Styles published in 1980 in the Journal of Magnetic Resonance and extended by Blackledge et al. in "The Elimination of Transmitter-Receiver Phase-Twist Artifacts in the Phase-Modulated Rotating-Frame Imaging Experiment" published in 1988 in the "Journal of Magnetic Resonance" as well as the publication of Sharp et al. above.
In these publications, the oscillating field Bi having a variable direction is generated by RF transmitter coils. The RF coil used in transmission is designed to favor the appearance of an RF magnetic field gradient (Bi) in a direction x such that
Thus, the flip-flop angle θ (χ) depends on the intensity of the field Bi seen by the spins at the x-position, ie Bi (x). After applying the RF field for a duration τ, the flip angle will be
According to the invention, the RF magnetic field gradient (Bi) can be realized thanks to the dependence of the current at the z position on a short antenna strand.
Indeed, the RF field B] created by a short multi-stranded wire antenna can be written approximately in the form Bi = kl0 (1-z / L), according to the equation (3.a) for a monopole short wired antenna of length L where Io represents the feed current of the antenna and k is a sensitivity coefficient dependent on the geometrical parameters of the antenna. This coefficient can be obtained by calculation or numerical simulation.
Thus, by substituting Bi in equation (1), we obtain:
eq. (8).
Considering now that the antenna is fed during a "calibration tap" by the current I0 for a duration τ such that θι = π / 2 at a position z = zre /, the equation (4) becomes:
eq. (9)
For example, zref is chosen near the center of the sample and then extends the spatial field of view.
The ratio between the equations (8) and (9) makes it possible to express the dependence of the flip-flop angle as a function of the position z, namely θι (ζ), whatever the method used to choose the spatial location of the NMR signals to be detected, for example the adjustment of the intensity of the field B} by the feed current / antenna odes during the calibration tap or the duration of application τ of the calibration tap:
eq. (10) The flip-flop angle Θ /, and thus the signal intensity, is then a function of the conditions for obtaining the calibration sink at π / 2 at z = zreft ie Ιο, τ, etc. and the z position.
However, the nutation of the spins takes place in the plane y'-z 'of the rotating marker, the latter being defined by the axes x', y ', z'. Conventionally, for example as described in the Hoult publication cited above, Tax z 'of the rotating reference coincides with Tax z, which is parallel to Bo, while the axes x' and y 'are rotating at the frequency of Lamor ω0. The application of a homogeneous π / 2 tap in the perpendicular direction makes it possible to switch the magnetizations in the plane x'-y 'of the rotating mark. The NMR signal called "Free Induction Decay" (FID) takes the form below:
eq. (11)
The sequence is then repeated for various values of τ, for example from 0 to Tmax according to Hoult, whose number of repetitions depends on the desired resolution. The application of several pulses of variable duration τ results in a modulation of the phase of the FID. The application of a Fourier transform then makes it possible to highlight the modulation of the phase caused by the RF field gradient:
An example of a suitable 1D tap sequence is shown in FIG.
According to the publication "MRI using radiofrequency magnetic field phase gradients" from Sharp et al. mentioned above, after the application of the calibration tap allowing the π / 2 to z = zref switch, a succession of pulses at π in z = zref makes it possible to accentuate the spatial selection, and offers a simple means of selecting a section .
An alternative method of spinshaping, ie cutting selection using the RF field, for example on the basis of Blackledge et al.'S publication, is to apply a succession of RF pulses promoting the coherent excitation of a region. of space while destructive interference is obtained elsewhere. In particular, it is proposed to apply a succession of funds in the following relation:
eq. (12)
Combinations of different puzzles then favor spatial selection. For example Blackledge proposes a sequence comprising 20 flip-flops at π / 2 followed by 14 taps at -3π / 2 then 5 taps at 5π / 2 and finally a tap at 7π / 2. By adding the successive acquisitions, the detection is made sensitive to a Gaussian envelope spatial section. The thickness of selection will ultimately depend on the intensity of the gradient.
To spatially select a new section at any height z in the measurement volume, it may be sufficient to adjust either the duration τ of application of the calibration pulse of the RF pulse sequence, or the intensity Io of supply of the antenna during the application of the calibration tap.
The dependence of the flip angle Θ] of the region of the object to be examined at the position along the strand can be used to select a section along the z axis and can replace a gradient coil of the MRI in at least one direction.
The spatial selection thus obtained is of particular interest since it can satisfy flow measurement (by cutting input methods) in a portable NMR application for the study of plant physiology.
The method may thus comprise at least one step of spatial selection of a position detection plane xy zo along the z axis, for example by choosing a duration or an amplitude of a calibration pulse of the radio frequency pulse sequence. ; in particular, it is possible to adjust a duration (τ) of application of the calibration tap, or a voltage or a supply power of the antenna during the application of the calibration tap.
The spatial selection can make it possible to select the region to be examined in an xy plane perpendicular to the z axis in the measurement volume.
By virtue of the reciprocity theorem which stipulates the symmetry of the properties of the transmit and receive antennas, this dependence of the current at the z position also intervenes in reception, and one can then compensate for it by using symmetrical configurations to average this dependence. and obtain a homogeneous volume resonator. The subject of the invention is thus also a method for imaging and / or nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR), comprising at least the steps of generating a constant magnetic field B0 in a region containing an object to be examined. transmission of at least one radio frequency (RF) magnetic field pulse sequence, and detection of NMR signals, wherein the detection of the NMR signals is carried out by an antenna system according to the invention.
This aspect of the invention makes it possible to overcome the dependence of the signals detected at the position of the strand, as explained above.
A short wired antenna system according to the invention can be used only either in transmission or in reception. In the case of use only in emission, the detection of the nuclear magnetic resonance (NMR) signal can be carried out by one or more inductive antennas. In the case of use only in reception, the emission of the sequence of radiofrequency (RF) magnetic field pulses can be carried out by one or more inductive antennas. In the latter case, PIN diode based decoupling circuits may be associated with the system. These circuits are for example known from the publication "Electronic decoupling of surface-coil receivers for NMR imaging and spectroscopy" by Edelstein et al. published in 1986 in the Journal of Magnetic Resonance.
Alternatively, a system of short wired antennas according to the invention can be used both in transmission and reception. This then makes it possible to carry out the RF excitation in the region to be examined and the detection of the NMR signals with a single device.
The methods according to the invention may comprise a step of processing the detected NMR signals. An image representative of the region of the object to be examined may be generated from the processed signals.
The spatial selection of spins in a plane, according to this aspect of the invention, can also be obtained by selecting one of the first and second wired antennas while the two wired multispine antennas are combined with the detection to overcome the dependence of the signal detected at the position on the strand.
The strands are preferably tuned to the observation frequency of the NMR signals. The wired antenna can be placed in any direction relative to the static field B0. However, the detection direction of the wired antenna is the orthoradial direction at the strand of the RF magnetic component or the collinear direction of the RF electrical component.
Each antenna or antenna array may be connected to a proximity amplifier during the receiving step.
Each antenna or antenna array may be associated with a frequency tuning electrical circuit. This frequency tuning electrical circuit may comprise at least one capacitor or inductor connected in series with at least one of the strands.
In a variant, each antenna or antenna array is associated with an electrical impedance matching circuit comprising at least one capacitor or inductor connected in parallel with at least one strand.
The strands of the antenna or antennas can be flexible. The method may comprise a step of placing the strands on the region of the object to be examined so as to marry at least partially the shape of the latter. The use of the antenna according to the invention makes it possible to produce a compact device for NMR or MRI spectrometry, and preferably portable.
The antenna or antennas may be used immersed in a sample in the liquid, solid or gaseous phase comprising a material to be characterized, for example a material whose cores have a magnetic moment. This can be useful for spectroscopic analysis of chemical or biological compounds.
In a variant, the antenna or antennas are used outside a sample comprising a material to be characterized.
The method can be used to identify compounds, for example chemical or biological compounds, for example molecules, in pharmaceutical, preclinical and / or agro-food applications.
The method according to the invention can be used for analyzing water stress and / or tissue structure in plants. The method then comprises a signal processing step delivering an image representative of the water content of a plant. The invention is also applicable in the medical field. The invention will be better understood on reading the following detailed description of non-limiting examples of implementation of the invention and with reference to the accompanying drawing, in which: FIG. 1 is a diagrammatic representation of FIG. a homogeneous field antenna in a xy plane, with strands out of phase with the 180 ° supply; FIG. 2 illustrates in perspective the intensity of the magnetic field Bi created with an example of distribution of strands making it possible to obtain a homogeneous field in a plane xy of FIG. 1, obtained using a software of FIG. finite element simulation; FIG. 3 is a view from below of the map of Bi in the xy plane of FIG. 2, which illustrates the homogeneity obtained in a plane at any height; FIG. 4 is a view of the map of Bi in the zy plane of FIG. 2, which illustrates the dependence of the intensity of the field on the position on the height of the strand; FIGS. 5a to 5c show another example of distribution of strands for obtaining a homogeneous field in a xy plane; - Figure 6 schematically shows a short wire antenna system according to the invention; FIG. 7 schematically illustrates a tuning and adaptation circuit connected to a conducting strand; FIG. 8 represents a 1D tap sequence known to accentuate the spatial selection; and FIG. 9 schematically represents a variant of short wired antennas according to the invention.
The reference z is used in the present application to denote both the z-axis and the coordinate of a point along this z-axis, as is commonly done for orthogonal markers.
FIG. 1 shows an antenna array 1 according to the invention for transmitting a sequence of radio frequency (RF) pulses.
The network comprises two short wired antennas 13 and 14, powered by a voltage source 8.
Each antenna 13 or 14 has a plurality of conductive strands 31 and 41. The strands 31 and 41 have the same length L and extend in a direction defining the z-axis of an orthogonal reference. The length L depends on the field and the nuclei and is for example between 10 mm and 100 mm for the observation of a proton in a field of 9.4 T.
In the example considered, the strands 31 of the antenna 13 are connected together at one end 90 by a conductor 37 at the same height z along the z axis, and likewise the strands 41 of the antenna 14 are connected together to one end 90 by a conductor 47 at the same height along the z axis.
The conductors 37 and 47 are in the form of arcs in the illustrated example. The strands 31 and 41 thus define the limits of a measurement volume, substantially cylindrical and extending along a longitudinal axis parallel to the z axis. The object to be examined is for example introduced by upper or lower openings of the measurement volume.
Alternatively, the measurement volume is built around the volume to be examined, the antennas being placed around the object to be analyzed.
The conductors 37 and 47 are connected in their respective media C3 and C4 to the voltage source 8.
In the example of FIG. 1, in order to obtain an oscillating magnetic field homogeneity Bi in the measurement volume, a phase shift is created in the supply of the antennas 13 and 14. The antenna 14 is connected to the source of voltage 8 by means of a phase shifter at 180 ° 6, so as to generate in the strands 31 currents Ii of opposite directions to those traversing the strands 41 of the antenna 14. At a given position along the z axis, these currents have substantially the same value for strands 31. The same is true for strands 4L
The strand positions 31 and 41 can be determined by the harmonic suppression method of the DS representing the distribution law of the current density by the eq (4).
Figures 2 to 4 illustrate, for the case N = 3, a distribution of the strands according to this method. We obtain θι = 11.66 °, θ2 = 26 ° and Θ3 = 56 °, each angle θι, θ2 and Θ3 defines the position of a set of conductive wires with four strands around the z axis.
The electromagnetic simulation was performed at a frequency of 200 MHz for an antenna comprising twelve strands length of 3 cm.
The different intensities of the magnetic field B1 are materialized by different hues.
The magnetic field Bi thus obtained is of direction parallel to the planes Px.y perpendicular to the z axis. As illustrated in FIG. 3, the magnetic field Bi is substantially homogeneous within each of these planes Px.y.
The value of the field Bi decreases linearly along the z axis from a height corresponding to the upper ends 90 of the strands 13 and 14 respectively connected to the conductors 37 and 47 to a height defined by the free ends 10 of the strands 13.
In one variant, the strands of the two antennas 13 and 14 are all connected to a single conductor, for example in the form of a ring, and thus form a single transmitting antenna according to the invention thus favoring the appearance of a gradient of RF field in the xy plane. Other strand distributions by proper routing and appropriate power configurations are not outside the scope of the present invention.
If the radial dependence is substantially eliminated in the measurement volume delimited by the antennas 13 and 14, the dependence of the intensity of the signal on the position of the object with respect to the height of the strand proves to be advantageous for the location of the signal.
The reciprocity theorem indicates that the transmit gain and the receive gain are related, which makes it possible to predict that the reception sensitivity depends on the position on the strand and the radial distance to the strand.
FIG. 6 illustrates a system according to the invention that can be used both for the emission of radio frequency (RF) magnetic field pulse sequences and for the detection of nuclear magnetic resonance (NMR) signals.
The system includes first and second short wired antennas 17 and 12. Each antenna 17 and 12 has a plurality of strands 71 and 21.
In the example illustrated, the strands 71 and 21 extend parallel to a direction defining the z axis of an orthogonal reference. The strands 71 of the first antenna 17 are preferably substantially the same length as the strands 21 of the second antenna 12 to ensure the homogeneity of the field.
The strands 71 of the first antenna 17 are all connected at their upper end to a conductor 77 at a first altitude z1 along the z axis and the strands 21 of the second antenna 12 are all connected at their end to a conductor 27 to a second altitude z2 along the z axis, with z2 <Z.
The strands 71 of the first antenna 17 are interleaved and arranged in a reverse manner between the strands 21 of the second antenna 12.
Each antenna 12 and 17 is connected, by means of an electronic switch 54, to a supply source 87 and 82 at the transmission and at an output Pouti and Pout2 at the detection.
The antennas 12 and 17 have a dependence on the position z on emission. By virtue of the reciprocity theorem, it is the same in reception, which means that the detection is more or less sensitive according to the position z. This reception dependence is compensated by the addition of the signals detected by the antennas 12 and 17.
Indeed, the intensities of the signals / 7 and / 2 detected by the two antennas 12 and 17 can each be expressed as a function of the position z:
eq. (13) where Io represents the output current at reception and L the length of strands 21 and 71.
The resultant I (z) no longer has any dependence on the position z, at least on detection:
eq. (14)
Using the system according to FIG. 4, the emission of the radiofrequency magnetic field pulse sequences as well as the spatial selection of the spins in a plane can be carried out by selecting one or the other of the two antennas 11 and 12 powered. respectively by supply sources 81 or 82 on transmission, while the two antennas 11 and 12 are combined with the detection to overcome the dependence of the signal detected at the position along the strands. The outputs Pouti and Pout2 are directed to signal amplifiers 71 and 72.
To increase the efficiency of the antennas in reception, short wired antennas 12 and 17 may be associated with one or more circuits 9 of agreement and adaptation. This is done conventionally for inductive coils used in spectroscopy and NMR imaging. As explained in John AM Lyon's "Tunable Electrically Small Antennas" publication, Alan GT Cha and Mohamed A. Hidayet, the tuning and matching circuits used for short wired antennas are dual to those used for coils. .
In the example illustrated in FIG. 6, each antenna 11 and 12 is associated with a tuning and matching circuit 9.
An example of a tuning and matching circuit 9 is illustrated in FIG. 7. The circuit comprises a capacitor Ct and an inductor L connected in series with the conducting strand 1 to tune the frequency, but also a capacitor in parallel Cm to adapt the impedance. As explained in the publication "Tunable electrically small Antennas", this tuning circuit configuration is known to allow to get closer to a quarter-wave antenna (λ / 4) when the available space is reduced. The invention is of course not limited to the embodiments described, and encompasses all variants.
For example, the strands may be uniformly disposed about an axis passing through the center C and parallel to the z axis. Electronic components such as capacitors and inductors can be associated with the strands to obtain a phase shift of currents in the strands of the wire antenna or antennas in different configurations of the strands, by analogy with the "birdcage" antennas.
FIG. 9 illustrates a monopole multi-strand wired antenna 16 in the form of a star, used only in reception. This antenna 16, for example, marries the shape of the object to be imaged.
An MRI or spectrometry system for implementing the invention may comprise among other things a magnet or an electromagnet generating a permanent field B0 in the Z direction. The presence of a gradient coil is not necessary but does not depart from the scope of the present invention.
Also, for reasons of simplicity, B0 field control systems and the voltage source (s) for the generation of the Bi field have not been shown.
The systems for processing signals and images and possibly display were not represented either. The short wired antenna can be cooled to reduce its intrinsic noise and thus increase its signal-to-noise ratio. The short wired antenna can be made on a flexible support to adapt to the shape of the object.
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2017194631A1 (en) | 2017-11-16 |
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