WO1989008852A1 - Procede de mesure des effets des courants de foucault - Google Patents

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WO1989008852A1
WO1989008852A1 PCT/FR1989/000122 FR8900122W WO8908852A1 WO 1989008852 A1 WO1989008852 A1 WO 1989008852A1 FR 8900122 W FR8900122 W FR 8900122W WO 8908852 A1 WO8908852 A1 WO 8908852A1
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probe
gradient
eddy currents
effects
nmr
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PCT/FR1989/000122
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Patrick Le Roux
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General Electric Cgr S.A.
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/58—Calibration of imaging systems, e.g. using test probes, Phantoms; Calibration objects or fiducial markers such as active or passive RF coils surrounding an MR active material
    • G01R33/583—Calibration of signal excitation or detection systems, e.g. for optimal RF excitation power or frequency
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    • G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution
    • G01R33/565—Correction of image distortions, e.g. due to magnetic field inhomogeneities
    • G01R33/56518—Correction of image distortions, e.g. due to magnetic field inhomogeneities due to eddy currents, e.g. caused by switching of the gradient magnetic field

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring, for a given period of time, the effects of eddy currents.
  • This process is mainly intended to be used in medicine in nuclear magnetic resonance (NMR) experiments. It is used to measure the effects resulting from the application of magnetic field gradient pulses, by means of magnetic field gradient coils, in an NMR imaging machine.
  • Nuclear magnetic resonance imaging is known. In imaging experiments according to such methods, a body is placed, of which one wishes to give images of interior parts, in a region where an intense homogeneous magnetic field is created by a magnet Bo- Under the effect of this intense field the magnetic moments of the particles of the body are oriented in the direction of the homogeneous magnetic field.
  • NMR resonance excitation signal
  • an NMR machine includes the magnet to produce the homogeneous field, an antenna to apply radio frequency electromagnetic excitation, and the actual gradient coils.
  • the magnet is of the superconductive type, it further comprises a screen capable of absorbing the magnetic energy created, in the event that, by accident, the phenomenon of superconductivity which makes it possible to maintain the field would fail (by default magnet cooling system, for example).
  • one of the peculiarities of the measured de-excitation NMR signal is that it is rapidly evanescent.
  • This evanescence is essentially linked to the lack of homogeneity of the main magnetic field of the machine.
  • the magnetic moments return to their initial orientation by precessing at a frequency which is a function of the intensity of the main magnetic field.
  • magnetic moments in phase at the origin can quickly find themselves in phase opposition with respect to each other. Due to their difference in precession frequency these phases shift. So that the NMR signals produced by particles located in the different regions of the body tend to neutralize after a certain time. Under these conditions, their measurement no longer gives a result.
  • the phenomenon of the reflection of the phase dispersion evolves, after the rebirth, like a phase dispersion proper. It is then possible during each acquisition-measurement sequence to reiterate the reflection action so as to give rise to a NMR signal of second echo, and so on of third echo, " and even of fourth echo or more.
  • the evolution of the NMR signal between the first echo and the fourth echo can be very revealing of the evolution of the spin-spin relaxation time, also called T 2 , of the particles under examination.
  • T 2 the evolution of the spin-spin relaxation time
  • the fourth echo signal is more difficult to measure because it is much weaker than the first echo signal, its physical significance is important because it makes it possible to accurately measure the desired relaxation time T 2 .
  • the fourth echo signal is to be measured, it is important to have neutralized the effects of the eddy currents until the time of this. measurement of this fourth echo signal.
  • the measurement of the fourth echo NMR signal is carried out well after the excitation itself. With echo times of the order of 60 milliseconds, the fourth echo is measured after a duration substantially equal to 240 milliseconds after the birth of the NMR signal. It is therefore important to know during all this time, the effects of eddy currents. This measurement is complex because after such a period the effects of such eddy currents are weak: their measurement is not very precise. However, their effects are very disruptive.
  • the principle of these measurements consists in placing an NMR probe in a suitable place of the machines , to electromagnetically excite the material capable of magnetic resonance in this probe, to subject it to a pulse of characteristic field gradient, to measure the evolution of the resonance signal over time, and to compare this evolution to an expected theoretical evolution corresponding to a perfect field gradient at the place where the probe is located.
  • the field gradient to be evaluated acts in the probe as an inhomogeneity of the main magnetic field: it makes the resonance signal of the probe evanescent. This evanescence occurs even if, as it should be, the resonant material of the sound ⁇ at a long relaxation time T2 (longer than the duration of the sequence with four echoes).
  • a gradient echo phenomenon is caused by using a gradient pulse to be evaluated, the direction of which alternates regularly during the measurement, a certain number of times, however, this does not counter the effect of 1 * inhomogeneity of the field Bo which always tends to phase the magnets.
  • a susceDtible material of resonance magnetic but whose spin-spin relaxation time is very short is taken from the order (5 milliseconds) of the evanescent time of the NMR signal, evanescence due to 1 • inhomogeneity created by the gradient to be measured.
  • the duration of this evanescent time is due to the size of the probe (of the order of 2 milli ⁇ meters) and to the alteration of the precession frequency over such a distance for a magnetic field gradient of given value (0.25 Gauss per centimeter).
  • this given value is an intermediate value with respect to the nominal nominal value of a real gradient to be implemented.
  • the successive measurements are guaranteed to be independent of one another.
  • a repetition of the electromagnetic excitation of the probe is then carried out and consecutive measurements of the NMR signal of de-excitation which 'it re-emits. We re-energize as often, and at all times in the sequence, as necessary.
  • the gradient pulse is applied, except for the presence of an excitation pulse in the probe, this gradient pulse is cut (we are then in the presence of the drag of this impulse: which interests us), we regularly excite the probe during this drag, and we measure each time a de-excitation signal.
  • the subject of the invention is therefore a method for measuring, for a period of time, the effects of the eddy currents, these effects resulting from the application of a magnetic field gradient pulse, by means of a gradient coil.
  • magnetic field in a machine to perform NMR experiments comprising the following steps:
  • the probe is subjected to a gradient pulse
  • the probe is excited by means of radio frequency electromagnetic excitation
  • FIGS. 3a and 3b the frequency diagram of the free precession signal originating in the probe because of the size of this probe, its position, and the importance of the field gradient.
  • FIG. 1 schematically shows an NMR machine for implementing the method according to the invention.
  • This machine comprises, symbolically represented by a coil 1, a magnet for producing a homogeneous and intense magnetic field Bo in an examination area 2 where a body to be placed is supposed to be placed.
  • the machine further comprises an antenna, for example of the radiating bar type ' 3 to 6, for inducing in zone 2 at the time of the examination of the electro-agneic radio-frequency excitation pulses produced by a generator 7.
  • the machine further comprises gradient coils symbolized by the devices 8 and 9 and supplied by a gradient pulse generator 10.
  • a reception circuit 11 makes it possible to receive the NMR signal for de-excitation emitted by the particles of the body at the end of the excitation.
  • a display device 12 makes it possible to show images of the sections of the body under examination in the machine after processing of the received NMR signals. All of these means operate under the command of a sequencer 13 which organizes the application of the excitation pulses, field gradient pulses, and the measurement of the NMR signal.
  • a probe 14 is used, consisting essentially of a small amount 15 of a material susceptible to magnetic resonance and an associated antenna 16.
  • the probe is placed in the examination zone 2 of the machine.
  • the antenna 16 is used to take the NMR signal emitted by the material 15 under the effect of an excitation applied by the antenna 3 to 6.
  • the excitation can also be applied by the antenna 16 by controlling the operation of this antenna by the sequencer, and by interposing, in its connection to the generator 7 and to the receiver 11, a duplexer. In normal operation, the receiver 11 can moreover be connected by a duplexer (not shown) to the bar antenna 3 to 6.
  • FIGS. 2a to 2c respectively show the RF radio frequency excitation signals, the gradient signals G, and the NMR signals received S.
  • the experimentation carried out in the invention essentially comprises radio frequency excitations such as 17 to 19 giving rise, in each case, to free precession signals respectively 20 to 22.
  • the gradient pulse of which it is sought to evaluate the effects of the eddy currents is, for example, pulse 23.
  • the constant value of this impulse at its apex is located substantially half of the value of a nominal nominal quantity GN of a field gradient usable with this machine. In this way the study of the gradient pulse is made in the linear variation range of this pulse.
  • the gradient coil studied is a gradient coil producing a gradient along Z ( Figure 1).
  • Figure 2b shows the descent time 24 of the gradient pulse 23, and the drag 25 of the magnetic field which remains and which corresponds to the effects of the eddy currents produced by the gradient pulse 23, after the cut of this pulse.
  • the duration of this trail is long, its decay time constants are great.
  • the measurement of the value of this trail must be made over a long duration TM of the same order as the sequences of 'longest excitation that the machine can allow to implement.
  • NMR signal from the probe is brief: it is around 5 milliseconds. This is particularly visible by examining in FIGS. 2c the responses 20 to 22. It is therefore conceivable that the phase dispersion due to the presence of the gradient pulse 23, or of its drag 25 which it is sought to measure, is such that at the end of the duration M no NMR signal will no longer be measurable. It is for this reason that, in the state of the art, on the one hand, an echo phenomenon was used, to revive the NMR signals of the probe at the end of a duration double the duration which separates 1 excitation of the probe of the instant when one causes the echo, and that on the other hand one chose a spin-spin 2 long relaxation time. In this way, at the time of the end of the duration TM this NMR signal, reborn under the effect of an echo, was still measurable. In practice, the state of the art probes contained pure water.
  • a material is chosen having a low spin-spin relaxation time T 2 . This is penalizing since there is then only a short time to measure the NMR signal.
  • the material of the probe can be re-excited relatively frequently without giving rise, in this material, to phenomena analogous to a phenomenon of SSFP (Steady State Free Precession in Anglo-Saxon literature) type between the various excitations. These SSFP type phenomena, which are such that there would then be a rejection of the NMR signal due to an excitation in the NMR signal of a subsequent excitation, would then falsify the measurement results.
  • SSFP Steady State Free Precession in Anglo-Saxon literature
  • this magnetization is made to tilt at a small angle, for example 30 degrees. So that we can consider that at the end of the duration Ti the longitudinal magnetization has been completely restored. This would not be the case if the tilting had been maximum, if the tilting of orientation had been 90 degrees. As a result, the NMR signals 20 to 22 measured at the end of each of these excitations are completely comparable with one another. The other great advantage is then to be able to have a measurement of the NMR signals on any dates during the TM duée without having to make any concessions on the shape of the pulse 23.
  • FIG. 2b shows moreover that the excitation 17 is applied after the fall 24 of the gradient pulse 23 to be evaluated.
  • FIG. 3a shows the spectrum of the NMR signal sampled by the antenna 16. If the gradient were not present, and if there was no eddy current effect, the probe would resonate at a frequency fo depending on the intensity of the BQ field and the giromagnetic ratio r of the probe material.
  • FIG. 3b shows, in correspondence with FIG. 3a, the probe 15 placed at the distance L from the center 26.
  • the NMR signal produced by the magnetic moment of the particles located at the center 28 of the probe 15 is different from the signal produced by the magnetic moments of the particles located at the ends 29 and 30 respectively of this probe according to the direction of the gradient Z applied.
  • the spectrum of the signal corresponding to these different contributions has a width ⁇ f. This width ⁇ f is linked to the dimension d by the same relationship as that which links (fi - fo) to L.
  • the use of an autonomous probe that is to say having its own transmitting and receiving antenna and its own receiving circuit can also prove to be particularly advantageous for the implementation of the method of invention.
  • the method of the invention allows, at the output of the device 31 for searching the center frequency of the spectrum of the resonance NMR signal of the probe, to give the value fi.
  • This value is directly representative of the effect of the eddy currents at the time of their measurement.
  • TM time of a period
  • we know the history of the drag of the effects of these currents it is then possible to use this information delivered by the device 31 to introduce it into a processing device 32 which develops a correction quantity. This correction quantity can itself be applied to the inputs of the gradient generator 10.
  • the value of the gradient pulses is regulated without having to carry out theoretical modeling in order to deduce them.
  • the results of these measures' could not be transposed directly to the pulses' gradient fields effectively implemented in the sequences without a theoretical analysis. This theoretical analysis precluded the implementation of a reaction against simpl "acting in real time on adjusting the power of the gradient coils.
  • this probe When the probe is used to allow regulators tion of the value of the gradient pulses , this probe can be left in the machine, even when an imaging experiment is undertaken on a patient, provided that the antenna is slightly shielded, because of the association of the antenna 16 at material 15, the gain at the location of material 15 is such that a light shielding is sufficient.
  • field gradient pulses will be applied during the experiment itself at any time, and they will also be cut at any time.
  • the shape of the gradient pulses applied is preferably the same as the shape of the pulses actually used in the imaging experiments.
  • Known techniques of system identification then make it possible to find the transfer function linking the control of the gradients and the response, measured by fi, of the eddy currents.

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Abstract

On mesure les effets des courants de FOUCAULT pendant une période (TM) longue dans une machine RMN en plaçant dans cette machine une sonde possédant un matériau susceptible de résonance magnétique ayant un temps de relaxation spin-spin faible, et en procédant à une réitération (PR) de l'excitation (17-19) électromagnétique d'un signal de résonance dans ce matériau et à la mesure du signal (20-22) de RMN de désexcitation qui en résulte, d'autant plus souvent de fois que la période pendant laquelle les effets des courants de FOUCAULT sont à prendre en compte est longue. On montre que cette manière de faire permet d'apprécier justement les corrections à appliquer sur des impulsions de gradient (23-24) de champ réel.

Description

PROCEDE DE MESURE DES EFFETS DES COURANTS DE FOUCAULT
La présente invention a pour objet un procédé de mesure, pendant une période de temps donnée, des effets des courants de FOUCAULT. Ce procédé est principalement destiné à être mis en oeuvre en médecine dans des expérimentations de résonance magnétique nucléaire (RMN) . Il y sert à mesurer les effets résultant de l'application d'impulsions de gradient de champ magnéti¬ que, au moyen de bobines de gradient de champ magnéti¬ que, dans une machine d'imagerie par RMN. On connaît l'imagerie par résonance magnétique nucléaire. Dans des expériences d'imagerie selon de tels procédés, on place un corps, dont on veut donner des images de parties intérieures, dans une région où est créé, par un aimant, un champ magnétique homogène intense Bo- Sous l'effet de ce champ intense les moments magnétiques des particules du corps s'orientent dans la direction du champ magnétique homogène. On soumet ensuite ces moments magnétiques à une exitation, élec¬ tromagnétique radiofréquence tendant à les faire bascu- 1er de cette orientation. On peut, à l'issue de l'exci¬ tation, mesurer un signal de résonance de désexcitation dit de RMN, représentatif des parties internes de ce corps. Ce signal correspond au retour de l'orientation des moments magnétiques, en un mouvement de précession, vers leur orientation initiale. Cependant, au cours d'une telle expérimentation, toutes les particules résonnent en même temps. Elles apportent leur contribu¬ tion simultanément au signal mesuré.
Pour permettre de discriminer dans ce signal les parts relatives à chacune de ces parties, pour en reconstruire l'image, il est connu de coder magnétique¬ ment 1'espace où se trouve placé le corps à imager pendant l'excitation, entre l'excitation et la mesure du signal de désexcitation, ou même pendant la mesure de ce signal de désexcitation. Ces codages sont appliqués par des bobines produisant un champ magnétique de codage particulier. Ces champs magnétiques particuliers ont une composante essentielle, mesurée parallèlement à l'orien¬ tation du champ magnétique homogène, dont la valeur évolue dans l'espace en fonction des coordonnées d'un point de cet espace où cette composante agit.
Classiquement il est connu de repérer 1'espace d'examen avec un repère orthonormé XYZ. Généralement la direction Z est la direction attribuée au champ magnéti- que ho gène. Les bobines de gradient produisent alors des champs magnétiques dont la composante essentielle, mesurée selon Z, est fonction de X pour une bobine dite de gradient X, est fonction de Y pour une bobine dite de gradient Y et est fonction de Z pour une bobine dite de gradient Z. On sait, ensuite, connaissant une séquence au cours de laquelle une excitation et des codages magnétiques d'espace ont été appliqués, extraire du signal de désexcitation mesuré, des informations relatives à la répartition des différentes particules dans le corps. En fait, cette répartition ne peut être déterminée qu'après une réitération de ces séquences d'acquisition. Au cours de cette réitération les coda¬ ges, les gradients de champ, sont modifiés d'une sé¬ quence à l'autre. Une des particularités des gradients de champ créés est donc qu'ils sont puisés. Ils sont établis, ils persistent pendant une durée prédéterminée, puis ils sont coupés. Or leur établissement ou leur coupure sont par essence la cause de courant de FOUCAULT. En effet, une machine de RMN comporte l'aimant pour produire le champ homogène, une antenne pour appliquer l'excitation électromagnétique radio fréquence, et les bobines de gradient proprement dites. Lorsque 1'aimant est de type supraconducteur il comporte en outre un écran suscepti¬ ble d'amortir l'énergie magnétique créé, au cas où, par accident, le phénomène de supraconductivité qui permet d'entretenir le champ viendrait à défaillir (par défaut du système de refroidissement de l'aimant par exemple). Tous ces dispositifs sont mécaniquement soutenus par des structures métalliques, quand ils ne sont pas métalli¬ ques eux mêmes, et sont donc susceptibles de laisser se développer des courants de FOUCAULT au moment de 1•é- tablissement et de la coupure des impulsions de gradient de champ. Et de tels courants de FOUCAULT sont eux même la cause de champs magnétiques parasites proportionnels à leurs intensités. De plus les courants de FOUCAULT présentent une réponse différée dans le temps par rapport à l'action qui leur donné naissance. On a tenté de réduire les effets des courants de FOUCAULT en réduisant la self inductance constituée par les parties métalliques. On a aussi préconisé de neutraliser, à l'endroit de ces parties métalliques, le potentiel vecteur magnétique crée', en adjoignant pour chaque bobine de gradient une autre bobine de gradient, dite compensatrice ayant un effet neutralisateur à l'endroit de ces parties métalliques mais n'ayant pas d'effet néfaste dans la zone névralgique d'examen à l'intérieur de l'aimant. Cependant, ces solutions ne sont pas complètement suffisantes.
En effet, une des particularités du signal de RMN de désexcitation mesuré est d'être rapidement évanescent. Cette evanescence est liée essentiellement au défaut d'homogénéité du champ magnétique principal de la machine. En effet, indépendamment des impulsions de codage appliquées, les moments magnétiques retournent à leur orientation initiale en précessant à une fréquence fonction-de l'intensité du champ magnétique principal. Compte tenu des défauts d'homogénéité des différentes régions de la zone d'examen de l'aimant, des moments magnétiques en phase à l'origine peuvent se retrouver rapidement en opposition de phase les uns par rapport aux autres. Du fait de leur différence de fréquence de précession ces phase se décalent. De sorte que les signaux de RMN, produits par des particules situées dans les différentes régions du corps tendent à se neutrali¬ ser au bout d'un certain temps. Dans ces conditions, leur mesure ne donne plus de résultat. Pour éviter cet effet, il a été provoqué au moyen d'un procédé dit à écho de spin (ou éventuellement avec un procédé dit à écho de gradient) une réflexion de la dispersion de phase due aux inhomogénéités du champ magnétique principal. La conséquence de cette réflexion de la dispersion est que le signal de RMN renaît, après la réflexion ., au bout d'une durée égale à celle qui a séparé la naissance du signal de RMN de cette réflexion elle-même. Le signal prélevé à l'issue d'une telle première réflexion est dit signal de premier écho. On peut, avec les signaux de premier écho mesurés dans toutes les séquences, produire une image dite de premier écho.
Cependant, le phénomène de la réflexion de la dispersion de phase évolue, après la renaissance, comme une dispersion de phase proprement dite. Il est alors possible au cours de chaque séquence d'acquisition- mesure de réitérer l'action de réflexion de manière à donner naissance à un signal de RMN de deuxième écho, et ainsi de suite de troisième écho, "et même de quatrième écho ou plus. L'évolution du signal de RMN entre le premier écho et le quatrième écho peut être très révéla¬ trice de l'évolution du temps de relaxation spin-spin, dit aussi T2, des particules sous examen. Bien que le signal de quatrième écho soit plus difficilement mesura¬ ble parce qu'il est beaucoup plus faible que le signal de premier écho, sa signification physique est impor¬ tante car elle permet de mesurer avec précision le temps de relaxation T2 recherché. Or les compensations des effets de courants de FOUCAULT, envisagées dans l'état de la technique, sont peu efficaces pour éliminer les influences de ces courants de FOUCAULT sur les signaux de RMN de quatrième écho qui renaissent bien plus tard après 1'excitation. Une autre méthode plus connue, et utilisée dès l'origine dans les machines de RMN, a consisté pour éliminer les effets des courants de FOUCAULT au moment de l'application des impulsions de gradient, à faire parcourir les bobines de gradient productrices de ces champs magnétiques de gradient, par des courants élec¬ triques dont l'intensité tient déjà compte de l'effet perturbateur de ces courants de FOUCAULT. De sorte que le champ magnétique de grandiant créé est alors en principe parfait. Associée aux premières techniques de compensation des effets des courants de FOUCAULT, cette méthode donne de bons résultats dans la mesure où on est susceptible de connaître avec suffisamment de précision les intensités des courants électriques à faire parcou¬ rir dans ces bobines pour que cette compensation se produise.
Compte tenu de ce qui a été expliqué précédemment, et notamment du fait que le signal de quatrième écho est à mesurer, il est important d'avoir neutralisé les effets des courants de FOUCAULT jusqu'au moment de cette mesure de ce signal de quatrième écho. Or, dans une séquence d'excitation-mesure, la mesure du signal de RMN de quatrième écho est effectuée bien après l'excitation elle-même. Avec des temps d'écho de l'ordre de 60 millisecondes, le quatrième écho est mesuré au bout d'une durée sensiblement égale à 240 millisecondes après la naissance du signal de RMN. Il importe donc de connaître pendant toute cette durée, les effets des courants de FOUCAULT. Cette mesure est complexe encesens qu'au bout d'une telle durée les effets de tels courants de FOUCAULT sont faibles : leur mesure est peu précise. Par contre leurs effets sont très perturbateurs.
Le principe de la mesure des effets des courants de FOUCAULT par utilisation d'une sonde de RMN a été décrit par P. HEUBES au congrès de la Society of Magnetic Résonance in Medicine, résumé des conférences page 315, en 1984. Une autre présentation en a été faite par E. YAMAMOTO et H. KOHNO et publiée dans le J. PHYS. : SCI. INSTRUM. N* 19 de 1986, et enfin, par Frantz SCHMITT au congrès de la même Society of Magnetic Résonance in Medicine de 1987, résumé des conférences page 445. Le principe de ces mesures consiste à placer une sonde de RMN en un endroit adéquat des machines, à exciter électromagnétiquement le matériau susceptible de réso- nance magnétique contenu dans cette sonde, à le soumet¬ tre à une impulsion de gradient de champ caractéristi¬ que, à mesurer l'évolution du signal de résonance au cours du temps, et à comparer cette évolution à une évolution théorique attendue correspondant à un gradient de champ parfait à l'endroit où se trouve la sonde.
Il est rapidement apparu, puisque la sonde ne peut pas physiquement être de dimension nulle, qu'un phéno¬ mène d'opposition de phase se produit, au bout d'un certain temps, entre des contributions au signal de RMN fournies par des parties de la sonde se trouvant à une de ses extrémités et à une autre, par rapport à l'ori¬ entation du gradient de champ. En définitive, le gradient de champ à évaluer agit dans la sonde comme une inhomogénéité du champ magnétique principal : il rend le signal de résonance de la sonde evanescent. Cette evanescence se produit même si, comme il se doit, le matériau résonant de la sonαϋ à un temps de relaxation T2 long (plus long que la durée de la séquence avec quatre échos) . Pour éviter cette evanescence, qui empêche la mesure du signal de RMN de la sonde au bout d'une durée suffisamment longue (250 millisecondes, ou 500 millisecondes) il a été imaginé, dans le deuxième document cité, de provoquer un écho de spin du signal de RMN mesuré dans la sonde. Compte tenu de l'application de l'impulsion de gradient de champ à mesurer, entre l'impulsion d'excitation et l'impulsion d'écho de spin, il importe pour provoquer la renaissance du signal de RMN dans la sonde de replacer, symétriquement par rapport à l'impulsion d'écho de spin, une impulsion de gradient de même sens et de même valeur que 1'impulsion de gradient dont on cherche à évaluer les effets des courants de FOUCAULT.
Dans le troisième document cité, plutôt que de provoquer un phénomène d'écho de spin, on provoque un phénomène d'écho de gradient en utilisant une impulsion de gradient à évaluer dont le sens s'alterne régulière¬ ment au cours de la mesure, un certain nombre de fois, cependant, ceci ne contre pas l'effet de 1* inhomogénéité du champ Bo qui tend toujours à dephaser les aimanta¬ tions.
Toutes ces techniques présentent 1 ' inconvénient que la forme des impulsions de gradient dont on cherche à évaluer les effets des courants de FOUCAULT est alors imposée. Pour l'essentiel cette forme est liée à la notion d'écho dont les particularités de provocation de la renaissance du signal de RMN sont ainsi mises à profit. En effet, dans une séquence de RMN, la plupart des impulsions de gradient n'ont pas de caractère symétrique ni alterné. Il en résulte comme conséquence que la mesure des effets des courants de FOUCAULT, par de telles méthodes, ne peut être qu'une mesure théori¬ que. Et l'utilisation de ses résultats ne peut produire qu'une modélisation mathématique de l'effet de ces courants. On en déduit ultérieurement, d'une manière pratique, les intensités des courants à faire passer dans les bobines de gradient de champ de manière à supprimer les effets des courants de FOUCAULT. Cependant cette modélisation théorique est gênante. Elle conduit à une théorie complexe et peut maniable.
Ainsi par exemple, il n'est pas possible de créer une boucle de régulation prenant en compte une mesure pour agir simplement sur une valeur d'intensité en vue de remédier à ces défauts. On ne peut pas utiliser directement le signal de la sonde comme signal d'erreur. L'invention a pour objet de remédier à ces inconvé¬ nients en choisissant une voie de mesure diamétralement opposée. Dans l'état de la technique citée, pour que le signal continue à être mesurable, il était nécessaire de choisir un matériau susceptible de résonance magnétique dans la sonde avec un temps de relaxation spin-spin long, si possible ce temps était bien plus long que la durée au bout de laquelle on désire connaître les effets des courants de FOUCAULT. De sorte qu'au bout de cette durée, le signal de RMN dans la sonde était encore mesurable pour apprécier ses effets. Par opposition, dans l'invention, on procède différemment. On choisit au contraire un matériau susceDtible de résonance magnétique mais dont le temps de relaxation spin-spin est très faible. Dans un exemple on le prend de l'ordre (5 millisecondes) du temps d'evanescence du signal de RMN, evanescence due à 1•inhomogénéité créé par le gradient à mesurer. La durée de ce temps d'evanescence est due à la taille de la sonde (de l'ordre de 2 milli¬ mètres) et à l'altération de la fréquence de précession sur une telle distance pour un gradient de champ magné¬ tique de valeur donnée (0,25 Gauss par centimètre) . De préférence cette valeur donnée est une valeur intermé¬ diaire par rapport à la valeur nom inale d'un gradient réel à mettre en oeuvre. En choisissant un matériau avec un temps 2 faible on assure 1'indépendance des mesures successives les unes par rapport aux autres. Pour connaître le signal tout au long de la dé¬ croissance de l'effet des courants de FOUCAULT, il est alors procédé à une répétition de l'excitation électro¬ magnétique de la sonde et à des mesures consécutives du signal de RMN de désexcitation qu'elle réémet. On réexcite aussi souvent de fois, et à tous les instants de la séquence, qu'il est nécessaire. Autrement dit, dans une séquence particulière selon l'invention, on applique l'impulsion de gradient, hors la présence d'une impulsion d'excitation dans la sonde, on coupe cette impulsion de gradient (on est alors en présence de la traînée de cette impulsion : ce qui nous intéresse) , on excite la sonde régulièrement pendant cette traînée, et on mesure à chaque fois un signal de désexcitation. On montre qu'en agissant ainsi on peut connaître avec suffisamment de précision les longues constantes de temps de décroissance des effets des courants de FOUCAULT, sans avoir à imposer de forme de gradient spécifique à la mesure de ces courants de FOUCAULT, mais en choisissant au contraire des formes d'impulsion de gradient tout à fait comparables à celles qui sont ultérieurement mises en oeuvre dans les séquences d•imagerie proprement dites.
L'invention a donc pour objet un procédé de mesure, pendant une période de temps, des effets des courants de FOUCAULT, ces effets résultant de l'application d'une impulsion de gradient de champ magnétique, au moyen d'une bobine de gradient de champ magnétique, dans une machine pour effectuer des expérimentations de RMN comportant les étapes suivantes :
- on place une sonde contenant un matériau suscep¬ tible de "résonance magnétique dans la machine,
- on soumet la sonde à une impulsion de gradient,
- on excite la sonde au moyen d'une excitation électromagnétique radio-fréquence,
- on mesure le signal de RMN de la sonde, résultant de cette excitation et de cette impulsion de gradient, à des instants auxquels on désire connaître les effets de ces courants de FOUCAULT, caractérisé en ce que :
- on réitère l'excitation plusieurs fois pendant la période,
- et on choisit un matériau avec un temps de relaxation spin-spin inférieur à la durée qui sépare les réitérations.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont données qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent :
- figure 1 : une machine pour la mise en oeuvre du procédé de 1*invention ;
- figures 2a à 2c : des diagrammes temporels d'une séquence d'excitation-mesure utilisable pour mettre en oeuvre le procédé de 1'invention ;
- figures 3a et 3b : le diagramme fréquentiel du signal de précession libre prenant naissance dans la sonde du fait de la taille de cette sonde, de sa posi- tion, et de l'importance du gradient de champ.
La figure 1 montre schématiquement une machine de RMN pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Cette machine comporte, représenté symboliquement par une bobine 1 un aimant pour produire un champ magnétique Bo homogène et intense dans une zone d'examen 2 où est censé être placé un corps à i ager. La machine comporte en outre une antenne, par exemple du type à barres rayonnantes' 3 à 6, pour induire dans la zone 2 au moment de l'examen des impulsions d'excitation électro agné- tiques radio-fréquence produites par un générateur 7. De manière à coder 1•espace et à permettre la discrimi¬ nation des contributions, dans le signal de RMN, des parties du corps aux parties des images, la machine comporte en outre des bobines de gradient symbolisées par les dispositifs 8 et 9 et alimentées par un généra¬ teur d'impulsion de gradient 10. Un circuit de réception 11 permet de recevoir le signal de RMN de désexcitation émis par les particules du corps à l'issue de l'exci¬ tation. Un dispositif de visualisation 12 permet de montrer des images des coupes du corps sous examen dans la machine après traitement des signaux de RMN reçus. L'ensemble de ces moyens fonctionne sous le commandement d'un séquenceur 13 qui organise l'application des impulsions d'excitation, des impulsions de gradient de champ, et la mesure du signal de RMN.
D'une manière connue, pour la mesure des effets des courants de FOUCAULT dans la structure (non représentée) de la machine, on utilise une sonde 14, constituée essentiellement d'une petite quantité 15 d'un matériau susceptible de résonance magnétique et d'une antenne associée 16. La sonde est placée dans la zone d'examen 2 de la machine. L'antenne 16 sert à prélever le signal de RMN émis par le matériau 15 sous l'effet d'une excita- tion appliquée par l'antenne 3 à 6. Cependant l'exci¬ tation peut aussi être appliquée par l'antenne 16 en commandant le fonctionnement de cette antenne par le séquenceur, et en interposant, dans sa liaison au générateur 7 et au récepteur 11, un duplexeur. En fonctionnement normal le récepteur 11 peut par ailleurs, être raccordé par un duplexeur (non représenté) , à l'antenne à barres 3 à 6. Il peut aussi être raccordé à une antenne de surface posée sur le corps du patient à l'endroit à i ager. Les figures 2a à 2c montrent respectivement les signaux d'excitation radio-fréquence RF, les signaux de gradient G, et les signaux de RMN reçus S. L'expérimen¬ tation mise en oeuvre dans l'invention comporte essentiellemnent des excitations radiofréquences telles que 17 à 19 donnant naissance, à chaque fois, à des signaux de précession libre respectivement 20 à 22. L'impulsion de gradient dont on cherche à évaluer les effets des courants de FOUCAULT est, par exemple, l'impulsion 23. La valeur constante de cette impulsion à son sommet est située sensiblement à la moitié de la valeur d'une grandeur nom inale GN d'un gradient de champ utilisable avec cette machine. De cette manière 1'étude de 1•impulsion de gradient est faite dans la gamme de variation linéaire de cette impulsion. Bien entendu les évaluations des effets des cou¬ rants de FOUCAULT sont faites bobine de gradient par bobine de gradient. Dans un exemple, la bobine de gradient étudiée est une bobine de gradient produisant un gradient selon Z (figure 1) . La figure 2b montre le temps de descente 24 de l'impulsion de gradient 23, et la traînée 25 du champ magnétique qui subsiste et qui correspond aux effets des courants de FOUCAULT produits par l'impulsion de gradient 23, après la coupure de cette impulsion. La durée de cette traînée est longue, ses constantes de temps de décroissance sont grandes. Compte tenu de la nécessité de connaître les effets des courants de FOUCAULT pour des échos du signal de RMN de rang élevé dans les séquences, la mesure de la valeur de cette traînée doit être faite sur une durée longue TM du même ordre que les séquences d'excitation les plus longues que la machine peut permettre de mettre en oeuvre.
Dans un exemple pratique, avec un gradient de champ de l'ordre de 0,25 Gauss par centimètre, et avec une sonde 14 dont le matériau 15 est contenu dans une sphère de l'ordre de 2 millimètres, l'existence du
•signal de RMN de la sonde est brève : elle est de l'ordre de 5 millisecondes. Ceci est particulièrement visible en examinant sur la figure 2c les réponses 20 à 22. On conçoit en conséquence que la dispersion de phase due à la présence de l'impulsion de gradient 23, ou de sa traînée 25 qu'on cherche à mesurer, est telle qu'au bout de la durée M aucun signal RMN ne sera plus mesurable. C'est pour cette raison que, dans l'état de la technique, d'une part on utilisait un phénomène d'écho, pour faire renaître les signaux de RMN de la sonde au bout d'une durée double de la durée qui sépare 1 'excitation de la sonde de 1 ' instant où on provoque l'écho, et que d'autre part on choisissait un temps de relaxation spin-spin 2 long. De cette manière, au moment de la fin de la durée TM ce signal de RMN, renaissant sous l'effet d'un écho, était encore mesura¬ ble. En pratique, les sondes de l'état de la technique contenaient de l'eau pure.
A l'opposé, dans l'invention, on choisit un maté¬ riau présentant un temps de relaxation spin-spin T2 faible. Ceci est pénalisant puisqu'on ne dispose alors que de peu de temps pour mesurer le signal de RMN. Par contre on peut réexciter relativement fréquemment le matériau de la sonde sans faire naître, dans ce maté¬ riau, des phénomènes analogues à un phénomène de type SSFP (Steady State Free Precession dans la littérature anglo-saxonne) entre les différentes excitations. Ces phénomènes de type SSFP, qui sont tels qu'il y aurait alors un rejet du signal de RMN dû à une excitation dans le signal de RMN d'une excitation suivante, fausse¬ raient alors les résultats de mesure. En pratique on a choisi comme matériau susceptible de résonance magnéti¬ que de l'eau additionnée de sulfate de cuivre. Cependant d'autres matériaux sont tout aussi envisageables.
En pratique pendant une durée de mesure TM de l'ordre de 500 millisecondes on peut alors faire vingt réitérations de l'excitation 18 et de la mesure 21 du signal de RMN . On obtient ainsi une période de répéti¬ tion PR de l'ordre de 25 millisecondes. En choisissant un matériau dont le T2 est au moins cinq fois plus faible, par exemple de l'ordre de 5 millisecondes, on trouve en fait généralement des matériaux dont le Ti, le temps de relaxation spin-réseau, est de l'ordre de 30 millisecondes. Comme la durée Tl est alors du même ordre que la durée PR il convient, au moment de l'application des impulsions 17 à 19, de ne pas provoquer un bascule- ment total de l'aimantation longitudinale des moments magnétiques des particules. Au contraire on fait bascu¬ ler cette aimantation d'un angle faible, par exemple de 30 degrés. De telle sorte qu'on puisse considérer qu'à l'issue de la durée Ti l'aimantation longitudinale a été complètement restaurée. Ceci ne serait pas le cas si le basculement avait été maximum, si le basculment d'orien¬ tation avait été de 90 degrés. Il en résulte que les signaux de RMN 20 à 22 mesurés à l'issue de chacune de ces excitations sont tout à fait comparables entre eux. L'autre grand avantage est alors de pouvoir disposer d'une mesure des signaux de RMN à des dates quelconques au cours de la duée TM sans avoir eu à faire des conces¬ sions sur la forme de l'impulsion 23. La figure 2b montre en outre que 1'excitation 17 est appliquée après la chute 24 de l'impulsion de gradient 23 à évaluer. En outre, elle montre aussi un décalage DE entre la fin 24 de l'impulsion 23 et la date de 1'application de 1'impulsion 17. Cette durée DE doit être additionnée à toutes les périodes PR pour savoir à quel instant, par rapport à la chute 24 de l'impulsion 23, se situe la mesure. L'existence de la durée DE peut en outre être mise à profit pour, en une autre expéri¬ mentation avec une durée DE différente, mesurer les effets de la traînée 25 à des dates intermédiaires dans les périodes PR. Par exemple on peut recommencer l'ex¬ périence en faisant DE = mPR/n. Ainsi de suite, on peut avoir une connaissance temporelle aussi fine qu'on le désire des effets des courants de FOUCAULT en choisisant m et n, m variant de 0 à n-1.
Sur la figure 1 on voit, pour la mesure d'un gradient Z, que la sonde 14 n'est pas placée au centre
26 de la machine mais plutôt à l'applomb d'une position
27 située à une distance L de ce centre. L'intérêt de ce choix est le suivant. Si on place la sonde à une dis¬ tance L du centre 26 par rapport à la direction du gradient considéré, on bénéficie, à l'endroit où cette sonde est placée, d'un codage de champ magnétique sensiblement égal au produit du gradient de champ à évaluer par la longueur de l'écart L. En conséquence, plus la sonde est placée loin du centre (dans la zone de linéarité du gradient bien entendu) plus la mesure sera sensible. La figure 3a montre le spectre du signal de RMN prélevé par l'antenne 16. Si le gradient n'était pas présent, et s'il n'y avait pas d'effet de courant de FOUCAULT, la sonde resonnerait à une fréquence fo dépendant de l'intensité du champ BQ et du rapport giromagnétique r du matériau de la sonde. En l'absence d'un gradient de champ, son signal résonnerait à la fréquence fo même quelle que soit la place de cette sonde dans la machine. Par contre, en présence d'un gradient de champ, ou de la traînée 25 due au courant de FOUCAULT de l'impulsion de gradient correspondante, le matériau magnétique de la sonde résonne à une fré¬ quence f décalée de la' fréquence fQ. Le décalage est proportionnel à l'amplitude du gradient d'une part et à la distance qui sépare la sonde du centre de la machine d'autre part. Lorsque les effets des courants de FOUCAULT se font de moins en moins sentir leur "gradient correspondant" se réduit de sorte que vers la fin de l'expérience la fréquence fi tend à se rapprocher de la fréquence fo. Pour les mêmes raisons d'ailleurs vers la fin de l'expérience, 1•evanescence du signal de RMN est moins rapide.
La figure 3b montre, en correspondance à la figure 3a, la sonde 15 placée à la distance L du centre 26. Comme la sonde 15 n'est pas réduite à un point théori- que, le signal de RMN produit par le moment magnétique des particules situées au centre 28 de la sonde 15 est différent du signal produit par les moments magnétiques des particules situées aux extrémités respectivement 29 et 30 de cette sonde selon la direction du gradient Z appliquée. Le spectre du signal correspondant à ces différentes contributions a une largeur δf . Cette largeur δf est liée à la dimension d par la même rela¬ tion que celle qui lie (fi - fo) à L. Comme la mesure de f]_ est ainsi faite à <5f près, on peut en déduire que la précision de la mesure est égale à <5f/(fι - fo) qui est elle même équivalente à d/L. Dans l'exemple pratique choisi, où d est de l'ordre de 2 millimètres et où L vaut 10 centimètres, la précision ainsi obtenue est de l'ordre de 2%.
Ceci est notablement insuffisant et en pratique il est nécessaire d'obtenir une précisio 'de l'ordre de 5/10 OOOè e. Mais on sait qu'il existe des dispositifs 31 (figure 1) , ou plus particulièrement des procédés mis en oeuvre par des ordinateurs, qui permettent de retrouver la fréquence centrale fi correspondant à la composante centrale d'amplitude la plus forte d'un spectre s'étalant sur <Sf. La connaissance de fi peut alors avoir pour effet de réduire 1'erreur de mesure dans un rapport 30. Dans ces conditions on atteint la précision de 5/10000 recherchée.
L'utilisation d'une sonde autonome, c'est à dire possédant sa propre antenne d'émission et de réception et son propre circuit de réception peut en outre s'a- vérer particulièrement intéressante pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. En effet, le procédé de l'invention permet, à la sortie du dispositif 31 de recherche de la fréquence centrale du spectre du signal de RMN de résonance de la sonde, de donner la valeur fi. Cette valeur est directement représentative de l'effet des courants de FOUCAULT au moment de leur mesure. Autrement dit, au bout d'une durée TM après l'appli¬ cation d'une impulsion de gradient, on connaît l'histo¬ rique de la traînée des effets de ces courant. Il est alors possible d'utiliser cette information délivrée par le dispositif 31 pour l'introduire dans un dispositif de traitement 32 qui élabore une grandeur de correction. Cette grandeur de corection peut elle-même être appli- quée aux entrées du générateur de gradient 10.
On réalise ainsi une régulation de la valeur des impulsions de gradient sans avoir à effectuer de modélisation théorique pour les déduire. Par contre, dans les méthodes de l'état de la technique cité, étant donné que les mesures des courants de FOUCAULT étaient des mesures qui correspondaient à des impulsions spéci¬ fiques de gradient de champ, les résultats de ces mesures ne' pouvaient pas être transposés directement aux impulsions 'de gradient de champs effectivement mises en oeuvre dans les séquences sans une analyse théorique. Cette analyse théorique s'opposait à la mise en oeuvre d'une contre réaction simpl "agissant en temps réel sur le réglage des alimentations des bobines de gradient. Quand la sonde est utilisée pour permettre une régula- tion de la valeur des impulsions de gradient , cette sonde peut être laissée dans la machine, même quand, une expérimentation d'imagerie est entreprise sur un pa¬ tient, sous réserve que 1'antenne soit légèrement blindée. En effet, du fait de l'association de l'antenne 16 au matériau 15, le gain à l'endroit du matériau 15 est telle qu'un blindage léger suffit.
Avec le procédé de 1'invention il est bien entendu aussi possible de se livrer à une modélisation théorique des effets des courants de FOUCAULT. Dans une solution particulièrement intéressante, on appliquera, pendant l'expérimentation elle-même, des impulsions de gradient de champ à des moments quelconques, et on les coupera également à des moments quelconques. La forme des impulsions de gradient appliquée est de préférence la même que la forme des impulsions effectivement mises en oeuvre dans les expérimentations d'imagerie. Des techni¬ ques connues d'identification de système permettent alors de trouver la fonction de transfert liant la commande des gradients et la réponse, mesurée par fi, des courants de FOUCAULT.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure, pendant une période (TM) de temps donné, des effets (25) des courants de FOUCAULT, ces effets résultant pendant cette période de l'application d'une seule impulsion (23) de gradient de champ magnétique, au moyen d'une bobine (8,9) de gradient de champ magnétique, dans une machine (1-13) pour effectuer des expérimentations de
RMN, comportant^ les étapes suivantes :
- on place (L) une sonde (14) contenant un matériau (15) susceptible de résonance magnétique dans la ma¬ chine,
- on soumet la sonde à une impulsion (23) de gradient,
- on excite (3-7) la sonde au moyen d'une excita- tion (17-19) électromagnétique radio-fréquence,
- on mesure (11) le signal (20-22) de RMN de la sonde résultant de cette excitation et de cette impul¬ sion à des instants (PR) auxquels on désire connaître des effets de ces courants de FOUCAULT, caractérisé en ce que
- on réitère l'excitation plusieurs fois pendant la période,
- et on choisit un matériau avec un temps de relaxation spin-spin inférieur à la durée qui sépare les réitérations.
2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les réitérations sont régulièrement réparties pendant la période.
3 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2 caractérisé en ce que le temps de relaxa¬ tion -_ ir.-spin est plus de cinq fois inférieur à la durée qui sépare les réitérations.
4 - Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 1 à 3 caractérisé en ce que l'impulsion de gradient est d'amplitude sensiblement égale à la moitié (GN/2) de l'amplitude nomminale qu'elle peut avoir.
5 - Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 1 à 4 caractérisé en ce que la sonde est placée le plus loin possible (L) du centre (26) de la machine.
6 - Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5 caractérisé en ce qu'on mesure la fréquence
(fl) du signal de RMN résultant pour en déduire l'effet des courants de FOUCAULT, et en ce qu'on soumet cette mesure de fréquence à un algorithme (31) de recherche de fréquence centrale. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions l à 6 caractérisé en ce qu'on le recommence,, en décalant (mPR/n) dans le temps les excitations des mesures par rapport à l'application (24) de l'impulsion de gradient de champ. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 1 à 7 caractérisé en ce qu'on utilise une sonde (14) avec une antenne (16) d'excitation propre blindée.
9 - Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 1 à 8 caractérisé en ce qu'on excite le matériau magnétique de la sonde après (DE) l'application de l'impulsion de gradient.
10 - Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 1 à 8 caractérisé en ce qu'on applique des comman¬ des de gradient quelconques pendant les mesures pour modéliser les effets des courants de FOUCAULT
11 - Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 1 à 10 caractérisé en ce qu'on choisit des excita¬ tions électromagnétiques radiofréquences dont l'angle de nutaticn est réglé on fonction de la période de répétition (PR) et" du temps de relaxation spin-réseau du matériau, de manière à obtenir un maximum de signal.
12 - Procédé selon l'une quelconque des revendica¬ tions 1 à 11 caractérisé en ce qu'on choisit des excita- tions dont l'intensité est inférieure de moitié à l'intensité d'une excitation nonuJLnale utilisable avec la machine.
13 - Mise en oeuvre du procédé selon l'une quelcon¬ que des revendications 1 à 12., en même temps qu'une expérimentation de RMN en vue d'annuler les effets des courants de FOUCAULT.
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