FR3131000A1 - Dispositif d’homogénéisation d’un champ radiofréquence pour l’imagerie par résonance magnétique - Google Patents

Dispositif d’homogénéisation d’un champ radiofréquence pour l’imagerie par résonance magnétique Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un dispositif d’homogénéisation (2, 4) de champ radiofréquence d’une longueur d’ondes donnée émise par une antenne volumique, comprenant au moins une piste métallique (8) continue d’une longueur totale comprise entre 50% et 75% de la longueur d’onde du champ radiofréquence, la piste métallique (8) formant un motif ayant une surface d’une largeur comprise entre 4% et 10% de la longueur d’onde du champ radiofréquence et une hauteur comprise entre 10% et 25% de la longueur d’onde du champ radiofréquence, le motif étant formé par un ensemble de de plusieurs courbes tortueuses reliées entre elles en série par au moins une portion de liaison rectiligne (14) de telle sorte à conférer au dispositif d’homogénéisation (2, 4) une propriété de dipôle électrique, le dispositif d’homogénéisation ayant une fréquence fondamentale supérieure à la fréquence correspondant à la longueur d’onde du champ radiofréquence. Figure pour l’abrégé : figure 2

Description

Dispositif d’homogénéisation d’un champ radiofréquence pour l’imagerie par résonance magnétique
La présente demande concerne un système d’émission d’un champ radiofréquence pour des techniques d’imagerie par résonance magnétique.
Les appareils d’imagerie par résonance magnétique (IRM) génèrent un champ magnétique principal statique au moyen d’aimants intenses et un champ radiofréquence (RF) d’excitation au moyen d’une ou plusieurs antennes d’émission. Le champ RF d’excitation pénètre dans un objet à imager (par exemple un corps humain ou une partie du corps humain) et interagit avec des noyaux atomiques (par exemple des protons) présents dans l’objet à imager afin de les exciter. Pour que cette interaction soit optimale, le champ RF d’excitation doit être résonant avec les noyaux atomiques ; pour se faire, le champ RF d’excitation est émis à une fréquence particulière appelée fréquence de Larmor du noyau atomique sollicité.
La fréquence de Larmor est une fonction croissante du champ magnétique principal ; ainsi, pour un proton (i.e. un noyau d’hydrogène), elle est d’environ 64 MHz dans un champ magnétique principal de 1,5 T tandis que pour un champ de 7 T elle est d’environ 300 MHz. En retournant à leur état d’équilibre, les noyaux atomiques émettent un signal RF qui est mesuré par l’appareil IRM et fournit les données nécessaires à la reconstitution d’une image de l’objet, appelée l’image IRM.
On distingue notamment parmi les appareils IRM, les appareils « bas-champ » et « haut-champ » dont le champ magnétique principal est environ entre 1,5 T et 3 T et les appareils « ultra-haut champ » dont le champ magnétique principal peut atteindre environ 7 T et plus. L’utilisation de champs magnétiques très intenses permet une hausse importante du rapport signal sur bruit (RSB) de la mesure du signal RF permettant de fournir les images IRM mais elle s’accompagne d’une augmentation de la fréquence de Larmor, et donc d’une diminution de la longueur d’onde requise pour le champ RF d’excitation.
Les appareils cliniques bas-champ et haut-champ sont équipés d’une antenne dite antenne-corps pour transmettre le champ RF d’excitation aux noyaux atomiques que l’on souhaite étudier de façon assez homogène dans tout le corps.
L’utilisation d’une antenne-corps n’est plus possible dans le cas d’appareils IRM ultra-haut champ qui nécessitent des champs RF d’excitation dont la longueur d’onde est trop faible (11 cm dans le corps humain à 300 MHz) pour pouvoir être transmise de façon homogène dans tout le corps par une seule antenne.
La stratégie peut alors consister à utiliser des antennes dédiées à certaines parties du corps (que l’on dénommera antennes volumiques dans la présente description), comme par exemple la tête pour laquelle on utilisera des antennes volumiques de type « cage à oiseaux » (ou « birdcage » en anglais).
Les antennes volumiques utilisées assurent alors la transmission du champ RF d’excitation nécessaire à la mesure dans des zones aux dimensions réduites mais, malgré la réduction de la zone à imager, les problèmes d’inhomogénéité expliqués précédemment peuvent subsister. De tels problèmes peuvent également survenir dans le cas d’IRM haut champ appliqué au niveau du tronc (thorax, abdomen ou pelvis).
Dans le but d’améliorer l’homogénéité du champ RF d’excitation (et donc la qualité de l’image obtenue grâce à l’excitation induite par le champ RF), il est connu d’utiliser des coussins (ou « pads » en anglais) diélectriques insérés entre l’antenne volumique et la partie du corps à imager afin de distribuer le champ RF d’excitation de façon homogène dans ladite partie du corps humain.
De tels coussins diélectriques peuvent être réalisés à base d’un solvant, par exemple de l’eau, et de particules de matériau à constante diélectrique plus élevée afin de les rendre plus fins et d’en améliorer le confort lors de l’utilisation. Cependant, et à cause de l’évaporation de l’eau et de la sédimentation des particules, ces coussins diélectriques ont une durée de vie assez courte. Leurs manipulations répétées lors de leur utilisation (placement entre la partie du corps humain et l’antenne volumique) accélèrent la sédimentation des particules et réduisent donc la durée de vie des coussins diélectriques.
La demande EP 3 550 321 décrit un coussin diélectrique d’une composition différente. Il s’agit d’un coussin diélectrique comprenant un solvant polaire, un agent dispensant et un composé diélectrique. Cette composition a pour but de réduire le problème de sédimentation des particules et d’améliorer la distribution des particules dans le coussin diélectrique. Cependant, ces coussins présentent un encombrement important qui gêne leur utilisation dans l’espace potentiellement réduit entre l’équipement d’imagerie et la partie du corps à imager. De tels coussins diélectriques risquent de percer et de répandre ainsi leur liquide sur des patients, ce qui induit un danger pour la santé.
Enfin, on connait l’utilisation de métasurfaces ayant une perméabilité magnétique négative permettant de concentrer le champ RF à la manière d’une lentille magnétique. La métasurface peut comprendre une piste métallique qui forme un dipôle magnétique excité par la composante magnétique du champ électromagnétique émis par l’antenne microruban. Cependant, ces métasurfaces sont surtout adaptées aux antennes de surface et n’est pas optimale pour une utilisation dans une antenne volumique, en particulier du type cage à oiseau.
La présente invention décrit un système comprenant un ou des dispositifs d’homogénéisation du champ RF d’excitation pour un appareil IRM permettant de remédier aux difficultés évoquées ci-dessus.
L’invention a pour objet un dispositif d’homogénéisation de champ radiofréquence d’une longueur d’ondes donnée émise par une antenne volumique, le dispositif d’homogénéisation comprenant au moins une piste métallique continue d’une longueur totale comprise entre 50% et 75% de la longueur d’onde du champ radiofréquence, la piste métallique formant un motif ayant une largeur comprise entre 4% et 10% de la longueur d’onde du champ radiofréquence et une hauteur comprise entre 10% et 25% de la longueur d’ondes du champ radiofréquence, le motif étant formé par un ensemble de plusieurs courbes tortueuses du second ordre reliées entre elles en série par au moins une portion de liaison rectiligne de telle sorte à conférer au dispositif d’homogénéisation une propriété de dipôle électrique, le dispositif d’homogénéisation ayant une fréquence fondamentale supérieure à la fréquence correspondant à la longueur d’onde du champ radiofréquence.
L’utilisation d’un dispositif d’homogénéisation tel qu’énoncé ci-dessus permet de redistribuer le champ radiofréquence émis par une antenne volumique d’un appareil IRM et d’améliorer ainsi l‘homogénéité de la répartition du champ radiofréquence dans la partie du corps à imager. Une meilleure homogénéité du champ radiofréquence permet d’obtenir des images IRM présentant un meilleur contraste.
Le dispositif d’homogénéité ne perturbe pas non plus la réception du signal RF généré par les noyaux atomiques dans la partie du corps à imager par les canaux de réception d’un réseau d’antennes de surface d’un appareil IRM. Le champ radiofréquence n’est pas non plus augmenté à des niveaux dangereux pour le corps.
Aussi l’utilisation de plusieurs courbes tortueuses reliées entre elles en série part au moins une portion rectiligne permet d’obtenir une homogénéisation dans une ou des zones de la partie du corps à imager relativement éloignée du dispositif d’homogénéisation lui-même. En d’autres termes, le dispositif d’homogénéisation peut être placé dans une zone tout en permettant d’obtenir un résultat optimal dans une zone éloignée. De ce fait, il est possible d’accoler le dispositif d’homogénéisation à une antenne volumique tout en obtenant le résultat recherché. Il n’est donc plus nécessaire de manipuler le dispositif d’homogénéisation à chaque réalisation d’une IRM.
L’utilisation de plusieurs courbes tortueuses reliées entre elles en série selon l’invention pour former une structure continue permet de combiner leur effet de dipôle électrique afin d’améliorer le comportement de dipôle électrique de la piste métallique, et ainsi améliorer l’homogénéisation du champ radiofréquence par le dispositif d’homogénéisation.
Enfin, la forme du dispositif d’homogénéisation énoncée ci-dessus permet d’obtenir un compromis optimal entre la bande passante propre au dispositif d’homogénéisation et l’efficacité de rayonnement du dispositif d’homogénéisation. En d’autres termes, et en agençant la piste métallique comme décrit ci-dessus, on obtient une bande passante propre au dispositif d’homogénéisation le plus large possible (pour assurer un recoupement des fréquences de fonctionnement avec la bande passante propre à l’antenne volumique) tout en conservant une efficacité de rayonnement élevée ; là où certains dispositifs choisissent de privilégier l’un ou l’autre. Les dispositifs selon l’art antérieur peuvent par exemple permettre d’obtenir un facteur de qualité élevé mais une bande passante étroite (le facteur de qualité étant égal à la fréquence à laquelle le gain est maximal divisé par la bande passante), ce qui conduit à l’obtention d’un dispositif d’homogénéisation difficile à coupler à l’antenne volumique et très sensible à l’environnement local. A l’inverse, un facteur de qualité trop faible conduira à l’obtention d’un dispositif d’homogénéisation peu résonant avec une efficacité de correction trop faible.
Dans la présente description, on parlera de fréquence du champ radiofréquence correspondant à la longueur d’onde du champ radiofréquence en étant reliée à cette dernière par l’équation suivante :
Où est la fréquence du champ radiofréquence, est la longueur d’onde du champ radiofréquence etcest la vitesse de la lumière dans le vide.
Dans la présente description, la fréquence du champ radiofréquence est la fréquence de Larmor utilisée dans un appareil IRM.
Selon la présente description, la surface du motif est la surface d’une zone dans laquelle est inscrite la piste métallique, par exemple une zone rectangulaire ou une zone carrée.
Suivant d’autres caractéristiques optionnelles du dispositif d’homogénéisation prises seules ou en combinaison :
  • Le motif est formé par plusieurs courbes de Hilbert du second ordre reliées entre elles en série, de préférence six courbes de Hilbert du second ordre. Cette forme permet entre autres à la structure de résonner comme un dipôle électrique à la fréquence de Larmor. L’utilisation de courbes de Hilbert permet de conserver ces propriétés de résonance tout en repliant la piste métallique d’une longueur totale donnée ;
  • Les courbes de Hilbert du second ordre sont réparties selon une alternance droite/gauche le long de plusieurs portions de liaison rectilignes alignées ;
  • Au moins une portion de liaison rectiligne comprend un motif en croix. La présence de motifs en croix amplifie les performances du dispositif d’homogénéisation ;
  • Le motif est d’une largeur comprise entre 4 et 10 centimètres et une hauteur comprise entre 10 et 25 centimètres. Il s’agit des intervalles de dimensions optimaux pour une intensité de champ magnétique statique de 7T ;
  • La piste métallique est agencée sur un substrat diélectrique. Cela permet de maintenir la structure mécanique de la piste métallique ;
  • Le substrat diélectrique est d’une épaisseur comprise entre 0,1 millimètre et 1 millimètre. Cela permet d’obtenir une structure fine et flexible simple à mettre en place, notamment pour des antennes à géométrie complexe ; et
  • Le substrat comprend un facteur de perte diélectrique, évalué à la fréquence correspondant à la longueur d’onde du champ radiofréquence, inférieur à 0,05. Cela permet d’optimiser l’efficacité du dispositif d’homogénéisation en limitant l’absorption du champ radiofréquence par le substrat. Dans la présente description, le facteur de perte diélectrique (ou angle de perte) est une grandeur sans dimension qui a le sens connu de l’homme du métier dans le domaine des hyperfréquences. Pour un matériau diélectrique, il est environ égal au rapport entre la partie imaginaire et la partie réelle de la constante diélectrique complexe du matériau. Le facteur de perte diélectrique dépend en particulier de la fréquence du champ radiofréquence considérée ;
L’invention a également pour objet un ensemble formée par une antenne volumique configurée pour émettre un champ radiofréquence et un dispositif d’homogénéisation selon l’invention.
Avantageusement, l’antenne volumique est une antenne de type cage à oiseau configurée pour être placée autour d’une zone du corps à imager.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
la est une représentation de deux exemples d’un dispositif d’homogénéisation selon l’invention ;
la est une représentation d’un exemple de piste métallique selon l’invention ;
la est représentation de résultats de simulation montrant la répartition du champ radiofréquence d’excitation avec un exemple de dispositif d’homogénéisation selon l’invention ; et
la figure 3b est une représentation de résultats expérimentaux montrant la répartition du champ radiofréquence d’excitation avec un exemple de dispositif d’homogénéisation mettant en œuvre une configuration bilatérale ;

Claims (10)

  1. Dispositif d’homogénéisation (2, 4) de champ radiofréquence d’une longueur d’ondes donnée émise par une antenne volumique, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une piste métallique (8) continue d’une longueur totale comprise entre 50% et 75% de la longueur d’onde du champ radiofréquence, la piste métallique (8) formant un motif ayant une surface d’une largeur comprise entre 4% et 10% de la longueur d’onde du champ radiofréquence et une hauteur comprise entre 10% et 25% de la longueur d’onde du champ radiofréquence, le motif étant formé par un ensemble de plusieurs courbes tortueuses reliées entre elles en série par au moins une portion de liaison rectiligne (14) de telle sorte à conférer au dispositif d’homogénéisation (2, 4) une propriété de dipôle électrique, le dispositif d’homogénéisation ayant une fréquence fondamentale supérieure à la fréquence correspondant à la longueur d’onde du champ radiofréquence.
  2. Dispositif d’homogénéisation (2, 4) selon la revendication 1, dans lequel le motif est formé de plusieurs courbes de Hilbert du second ordre (16) reliées entre elles en série, de préférence six courbes de Hilbert du second ordre (16).
  3. Dispositif d’homogénéisation (2, 4) selon la revendication 2, dans lequel les courbes de Hilbert du second ordre (16) sont réparties selon une alternance droite/gauche le long de plusieurs portions de liaison rectilignes (14) alignées.
  4. Dispositif d’homogénéisation (2, 4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins une portion de liaison rectiligne (14) comprend un motif en croix (18).
  5. Dispositif d’homogénéisation (2, 4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le motif est d’une largeur comprise entre 4 et 10 centimètres et une hauteur comprise entre 10 et 25 centimètres.
  6. Dispositif d’homogénéisation (2, 4) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la piste métallique (8) est agencée sur un substrat diélectrique (10).
  7. Dispositif d’homogénéisation selon (2, 4) selon la revendication précédente, dans lequel le substrat diélectrique est d’une épaisseur comprise entre 0,1 millimètre et 1 millimètre.
  8. Dispositif d’homogénéisation (2, 4) selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel le substrat comprend un facteur de perte diélectrique, évalué à la fréquence correspondant à la longueur d’onde du champ radiofréquence, inférieur à 0,05.
  9. Ensemble formée par une antenne volumique configurée pour émettre un champ radiofréquence et un dispositif d’homogénéisation (2, 4) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Ensemble selon la revendication 9, dans lequel l’antenne volumique est une antenne de type cage à oiseau configurée pour être placée autour d’une zone du corps à imager.
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