WO2019145518A1 - Systeme de bobines pour utilisation en resonance magnetique nucleaire et imagerie par resonance magnetique nucleaire - Google Patents

Systeme de bobines pour utilisation en resonance magnetique nucleaire et imagerie par resonance magnetique nucleaire Download PDF

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WO2019145518A1
WO2019145518A1 PCT/EP2019/051922 EP2019051922W WO2019145518A1 WO 2019145518 A1 WO2019145518 A1 WO 2019145518A1 EP 2019051922 W EP2019051922 W EP 2019051922W WO 2019145518 A1 WO2019145518 A1 WO 2019145518A1
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coils
coil
envelope surface
nmr
opposite portions
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/051922
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Inventor
Christophe Coillot
Rahima SIDIBOULENOUAR
Michel ZANCA
Pauline DE PELLEGARS
Rémy SCHIMPF
Julien Muller
Eric ALIBERT
Eric NATIVEL
Christophe GOZE-BAC
Jean-Luc Verdeil
Original Assignee
Universite De Montpellier
Centre National De La Recherche Scientifique
Centre Hospitalier Universitaire De Montpellier
Centre De Cooperation Internationale En Recherche Agronomique Pour Le Developpement (Cirad)
Reinvent Systems For Science & Discovery (Rs2D)
Axlr, Satt Du Languedoc Roussillon
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Publication date
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    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/381—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using electromagnets

Definitions

  • the present invention relates to coil systems and their uses in imaging and / or nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR) methods.
  • NMR requires a homogeneous static magnetic field source for spin polarization combined with an alternating magnetic field source at the gyromagnetic resonance frequency of a core of a sample to be observed for excitation and / or spin detection of it. These sources are commonly made by means of coils.
  • the magnetic resonance phenomenon is conventionally observed by means of a probe taking the form of a coil (coil), that is to say a closed electrical circuit which is the seat of an induced voltage.
  • a coil that is to say a closed electrical circuit which is the seat of an induced voltage.
  • the coils are tuned to match the precession resonance frequency of the atomic nucleus to be measured, typically the proton, which is in the static magnetic field Bo and adapted to the input impedance of the power amplifier (standard 50 Ohms), so as to optimize the power transfer.
  • the probe must have the characteristic of producing a homogeneous magnetic field in the largest possible volume of interest and having a high signal-to-noise ratio, which will result in either a reduction of the acquisition time or an improvement of the resolution for a given acquisition time.
  • the signal-to-noise ratio of the coils directly impacts the performance of the acquisition while their homogeneity in the magnetic field on the volume of interest conditions the homogeneity of the MRI image.
  • the aim of the invention is to propose winding solutions applicable to both revolution geometries, for example cylindrical, and to spherical revolution geometries, for producing a homogeneous magnetic field both in static and at high frequency, in particular at frequencies which propagating phenomena are no longer negligible, ie where the lengths of the conductors are no longer negligible in front of the wavelength.
  • the subject of the invention is thus a nuclear magnetic resonance (NMR) or magnetic resonance imaging (MRI) device, comprising a system of coils comprising N pairs of coils, where N is an integer greater than 1, preferably greater than at 2, these coils extending, at least partially, along an envelope surface of the coil system, the envelope surface being of symmetry of revolution, in particular spherical, cylindrical, conical or ellipsoidal, each coil comprising at least two opposite portions defining a associated plane parallel to a first median plane of the envelope surface containing an axis of symmetry of the envelope surface, the opposite portions of the coils of the same pair being arranged symmetrically with respect to the first median plane, the opposite portions of a coil being arranged symmetrically by relative to a second median plane containing said axis of symmetry and perpendicular to the first median plane,
  • N nuclear magnetic resonance
  • MRI magnetic resonance imaging
  • q r is the angle, on the circle, between one of the opposite portions of a coil of the th th pair of coils and one of the intersections of the first median plane with the circle, where p is an integer between 1 and N, I p being the product of the number of turns of the coils of the th th pair of coils and the amplitude of the current flowing through these coils, for example the product of the number of turns N p of a coil of the the pair of coils and the amplitude of the intensity i p of the current flowing through these coils.
  • the invention has the advantage of ease of implementation as well as performance gains, both in terms of the sensitivity of the coils and in homogeneity of the magnetic field produced.
  • the arrangement of the coils according to the invention makes it possible to cancel the 2N-1 (in the case of an odd number of coils with N pairs of symmetrical coils) or 2N (in the case of an even number of coils with N pairs of symmetrical coils and a central coil) Spatial harmonics of the current density distribution.
  • the variables of Equations 1 and 2 are the N angles 0 P and the N products "turns-current" I p .
  • the various variables can easily be set by the user to satisfy constraints specific to the application or the implementation.
  • the coils can be fed with currents of the same amplitude.
  • the coils are fed with currents of the same intensity in effective amplitude. This is particularly the case when the turns are in series and the currents in the coils are all equal.
  • the amplitude is the effective amplitude.
  • two coils of the same pair of coils have the same number of turns.
  • all coils have the same number of turns
  • Each coil may comprise opposite portions extending along a spherical envelope surface, the coils being preferably circular coils.
  • each coil comprises two rectilinear opposite portions extending along a cylindrical envelope surface and parallel to its axis and at least one curved portion connecting the opposite portions.
  • the coils can be connected in series or in parallel.
  • the coils can be single-turns. In a variant, the coils are multi-turns.
  • the device can be used in static mode. In this case, the currents in the coils are continuous.
  • R is the radius of the spherical envelope surface
  • mo is the magnetic permeability of the vacuum
  • B 0 bj is the amplitude of the magnetic field to be generated.
  • the device can also be configured for use as an NMR or MRI probe.
  • the angles O n being preferably chosen so as to maximize the expression . This maximizes the sensitivity of the coil system S coii , defined by B / I, where B / I is the Spin excitation magnetic field per unit current, as defined by "The signal-oh-noise ratio of the nuclear magnetic resonance experiment" by Houtl DI et al. (1976).
  • the sensitivity S co ii is proportional to N p cos 2 (q r ). In the case where all the coils are in parallel the sensitivity S co ii is proportional to
  • the sensitivity is maximized.
  • the maximization of the sensitivity S co ii as explained by the equation sets Eq. (Link) and Eq. (2ter)) and thus promote the signal-to-noise ratio.
  • the device may be configured to be used as a spin excitation probe and / or a low frequency spin detection.
  • low frequency it is to be understood that the lengths of the wires are less than a fraction of the wavelength, for example 1/8, or even 1/10, of the wavelength at the gyromagnetic resonance frequency, ie the wavelength of an NMR signal to be detected, as indicated by Mispelter et al., p. 103 of his book NMR probeheads for biophysical and medical experiments.
  • Frequency of a low frequency probe belongs to the frequency ranges of quasi-continuous at 30MHz (standardized range HF).
  • the device may be configured to be used as a high frequency NMR or MRI probe, for example greater than 30 MHz.
  • the coil system is preferably divided, along the length of the and the conductive wires constituting the coils, into a plurality of segments, these segments being connected together by segmentation capacitors so that the The overall resonant frequency of the system coincides with the gyromagnetic precession resonant frequency of the nucleus to be observed.
  • the overall resonance frequency co 0 of the system is equal to 1 LC sq , where L is the value of the inductance of the system and C sq is the capacity of the capacitor equivalent to all the capacitors placed in the circuit of the probe.
  • the overall resonance frequency co 0 of the system is equal to 1 / IL-, where L is the value
  • Cs is the capacitance of the segmentation capacitors and Hs is the total number of segmentation capacitors.
  • Hs is the total number of segmentation capacitors.
  • the lengths of the segments are substantially identical within a coil, with a tolerance of 10% within a coil, except at its ends. This length may vary from one reel to another.
  • the length of a segment is preferably less than or equal to 1/8, or even less than or equal to 1/10, where 1 is the wavelength of the NMR signal to be detected, in order to be able to assume an operation in approximation.
  • ARQS quasi-stationary regimes
  • the device may comprise two coil systems extending in an insulating support, preferably cylindrical, in particular of circular section, the two systems being for example disposed respectively on an outer surface and an inner surface of a wall of the support.
  • the distance between the systems for example equal to the thickness of the support wall, is preferably equal to or greater than 75 ⁇ m. This makes it possible to avoid excessive coupling in the case of squaring.
  • the two systems, said quadrature can be shifted by an angle of 90 °, about an axis of revolution of the support, which preferably corresponds to the axis of symmetry of the envelope surface of the coil systems.
  • the or each system may be in the form of a flexible printed circuit.
  • the coils of the or each system may be divided, along the length of the tracks constituting the coils, into a plurality of segments by segmentation capacitors.
  • the printed circuit may comprise connectors, for example metal, for soldering the segmentation capacitors.
  • one of the two systems preferably has openings to let out the segmentation capacitors of the other system.
  • the coil system can be combined with a high-impedance low-noise amplifier to optimize the signal-to-noise ratio, as shown by Resmer et al., In the article entitled “Cryogenics receive coil and low noise preamplifier for MRI 0.01 T "published in 2010 in Journal of Magnetic Resonance.
  • the device can be configured to be used as an NMR or MRI probe.
  • the coils can be associated with a tuning-matching circuit.
  • the device can be configured to allow the introduction of a sample, at least partially, within the volume defined by the envelope surface.
  • the device may comprise a support, having substantially the same shape as the envelope surface, on which the coils are arranged, the support being able to be opened, for example by relative displacement of the different parts of the support, in particular along an axis thereof, to allow the introduction of a sample inside the support.
  • the device as a volume probe, can be associated with surface probes, as is known from the literature on the subject. In particular, one can refer to Sonam Togbay's thesis (2004), entitled “Novel Concepts for Surface Coils with Integrated Receivers”.
  • the subject of the invention is also an NMR or MRI probe comprising a device according to the invention.
  • the subject of the invention is also an NMR or MRI probe comprising systems according to the invention combined in quadrature, as is known for the probes.
  • the subject of the invention is also a coil for an NMR or MRI probe, comprising at least one electrical conducting wire and at least one segmentation capacitor, the conductive wire being divided, along its length, into a plurality of segments by the or the capacitors so that the lengths of these segments are substantially identical, the number of segments and capacitance of the capacitors being chosen so that the overall resonant frequency of the coil coincides with the gyromagnetic precession resonant frequency of an atomic nucleus of a sample to be observed, for example around 42 MHz / T in MRI, which corresponds to the resonance frequency of the hydrogen atoms.
  • the length of a segment is, for example, less than or equal to 1/8, preferably less than or equal to 1/10, where 1 is the wavelength of an NMR signal to be detected.
  • the subject of the invention is also an NMR or MRI probe comprising at least one coil according to the invention as described above, and a homogeneous static magnetic field source source B 0 for the polarization of the spins of the atomic nucleus of the invention. sample to be observed, the homogeneous static magnetic field intensity B 0 preferably being between 1mT and 20T.
  • the NMR or MRI probe may comprise at least two coils according to the invention as described above and an insulating support, the coils being arranged on the support.
  • the support may comprise a body with spherical or cylindrical symmetry, defining an envelope surface on which the coils are arranged.
  • the coils can be connected in series or in parallel.
  • the coils may be such as those of the nuclear magnetic resonance (NMR) or magnetic resonance imaging (MRI) device according to the invention.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • MRI magnetic resonance imaging
  • the subject of the invention is also a method for imaging and / or nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR) of a sample to be observed, comprising the polarization of the spin of the atomic nuclei of the sample with a field source.
  • homogeneous static magnetic magnet B 0 and the excitation and / or the detection of the spins by a source of an alternating radio-frequency (RF) magnetic field Bi at the resonant frequency of precession of the cores
  • the alternating RF magnetic field source Bi comprising at least one inductive coil which produces the alternating RF magnetic field Bi
  • the inductive coil or coils each comprising at least one electrical conducting wire and at least one segmentation capacitor, the wire conductor being divided, along its length, into a plurality of segments by the capacitor (s) so that the lengths of these segments are substantially identical, the number of segments and capacitance of the capacitors being chosen so that the resonance overall or the coils coincides with the gyromagnetic resonance of the nucleus to be observed.
  • the intensity of the static field source B 0 is between 1mT and 20T in MRI, the nucleus to be observed being preferably the proton. This value can be adjusted if necessary.
  • the alternating RF magnetic field source preferably comprises at least two inductive coils, the inductive coils extending at least partially along an envelope surface with cylindrical or spherical symmetry.
  • the inductive coils can consist of coils of the nuclear magnetic resonance (NMR) or magnetic resonance imaging (MRI) device according to the invention as defined in the first place.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • MRI magnetic resonance imaging
  • the subject of the invention is also a method for imaging and / or nuclear magnetic resonance spectrometry (NMR) of a sample to be observed, comprising the polarization of the spin of atomic nuclei of the sample with a field source.
  • homogeneous static magnetic magnet B 0 and excitation and / or detection of core spins by an alternating Bi-frequency (RF) magnetic field source at the precession resonance frequency of the cores, the alternating RF magnetic field source Bi comprising a nuclear magnetic resonance (NMR) or magnetic resonance imaging (MRI) device according to the invention.
  • RF Bi-frequency
  • FIG. 1 discloses, schematically and in perspective, a system of coils of a device according to the invention, having an envelope surface of spherical geometry
  • FIG. 2 discloses, schematically, a variant of a system of coils of a device according to the invention, having an envelope surface of cylindrical geometry
  • FIG. 3 is a sectional view along a plane of symmetry perpendicular to the first and second median planes according to the invention
  • FIGS. 4 to 6 represent variants of coil systems according to the invention
  • FIGS. 7 to 9 schematically represent segmentation variants of coil systems according to the invention.
  • FIGS. 10 to 12 illustrate other embodiments of the invention
  • FIG. 13 illustrates another variant embodiment of a device according to the invention
  • FIGS. 14 (a) and 14 (b) illustrate the coil systems of FIG. 13.
  • the system 1 of coils illustrated in FIG. 1 comprises two pairs of coils
  • coils 10 and 20 each having opposite portions 11 and 21. These coils 10 and 20 are circular in shape and generally extend in a Z-shaped envelope surface.
  • the coils 10, 20 are arranged symmetrically with respect to a first median plane M of the envelope surface E, which contains an axis of symmetry Y of the envelope surface.
  • the coils 10, 20 have associated planes Pi and P 2 defined by opposite portions 11, 21 of the coils 10, 20 which are parallel to the first median plane M.
  • the opposite portions 11, 21 in an arc of a pair of coils 10, 20 are arranged symmetrically with respect to a second median plane N containing the axis of symmetry Y and perpendicular to the first median plane M.
  • the system 1 comprises two pairs of coils 10 and 20.
  • the latter each comprise two opposite portions 11 and 21 rectilinear extending along a cylindrical envelope surface S.
  • the opposite portions 11, 21 of the coils 10 and 20 of the same pair of coils have the same length along the axis of symmetry Y of the envelope surface E.
  • the opposite portions 11, 21 are connected by a curved portion 17, 27 at the same height along the axis of symmetry Y.
  • the opposite portions 11 and 21 of the coils 10 and 20 of different pairs are connected at different heights.
  • the curved portions 17 and 27 extend along the cylindrical envelope surface.
  • FIG. 3 is a view in a plane of symmetry perpendicular to the axis of symmetry Y of the envelope surface E.
  • the opposite portions 11 and 21 are arranged in a circle Q of radius R where R is equal to the radius Rs of the spherical envelope surface S of FIG. 1 or to the radius Rc of the cylindrical envelope surface S of FIG.
  • An intersection I of the first median plane M with the circle Q forms, on the circle, an angle qi with the coils 10 of the first pair of coils Q and an angle ⁇ 2 with the coils 20 of the second pair of coils.
  • FIG. 4 illustrates a variant of a device comprising 3 pairs of coils 10, 20 and 30, configured to be used in static mode.
  • a condition according to equation 3 is further added to the system of equations according to equation 2 to determine the distribution of the coils.
  • Each coil 10, 20 has 320 turns.
  • the coils forming a pair of coils are connected in parallel and each pair of coils is powered independently to adjust the homogenization of the field.
  • the system allows homogeneity better than 300ppm in a volume of lcm 3 .
  • the coil system 1 comprises two pairs of series-connected single-turn coils 10, 20 extending along a cylindrical envelope surface E.
  • the opposite portions 11 of the coils 10 of the first pair of coils and the opposite portions 21 of the coils 20 of the second pair have the same length along the axis of symmetry Y of the envelope surface E.
  • the opposite portions 11 and 21 of the coils 10 and 20 of different pairs are connected to the same height.
  • the system variant 1 illustrated in FIG. 7 is connected to a tuning and matching circuit 51.
  • the matching and matching circuit 51 comprises a capacitor 52 connected in series with the system 1 of coils and two capacitors 53, 54 connected in parallel with the coils 10, 20.
  • tuning and matching circuits 51 for example as described in Mispelter et al. can be used.
  • All the coils 10, 20 of the system 1 can be connected in parallel, as illustrated in the variant of FIG. 7.
  • the coils 10, 20 are connected in series with each other by intermediate portions 18, 28.
  • the coil system 11, 22 is divided into a plurality of segments 19, 29 by segmentation capacitors 46.
  • the capacitors 46 are arranged so that the segments 19, 29 have substantially the same length L b when the coils 10, 20 are connected in series at their ends.
  • a segment 19, 29 may also comprise several turns and / or conductors belonging to the turns of the different coils.
  • the number H s of segmentation capacitors 46 is equal to 8.
  • all the segmentation capacitors 46 have the same capacitance.
  • the overall resonance co 0 of the probe thus obtained will be close to 1 / L.
  • C s / 8 where C s is the capacitance of a segmentation capacitor 46 and L is the inductance of the system.
  • the values of C s are chosen so as to make the global resonance co 0 of the probe coincide with the gyromagnetic resonance of the nucleus to be observed.
  • the NMR or MRI probes can be used at low frequency but also at high frequency.
  • a coil system similar to that of FIG. 7 can be realized by arranging the coils 10, 20 in a cylindrical envelope surface, as illustrated in FIG.
  • the system is an inductive probe comprising three pairs of coils 10, 20, 30 arranged on an insulating support 67 of cylindrical shape.
  • the coils 10, 20, 30 are connected in parallel at their ends.
  • the probe comprises for example two parts connected in an articulated manner via a generator of the support 67.
  • This system when used as a portable NMR probe with a low frequency resonance up to 330kHz, has improved the SNR by a factor of 2 compared to a "saddle-coil" type coil used under the same conditions , that is to say with the same main static field Bo, the same low noise amplifier, the same sample, and the same acquisition sequence.
  • the probe comprises two pairs of single-turn coils in series, arranged on a cylindrical insulating support 67.
  • the support comprises two pairs of single-turn coils in parallel. .
  • the probe comprises a base carrying the insulating support and comprising a housing for receiving the tuning and matching circuit 51.
  • the probe can be made to be "clip-on".
  • the insulating support 67 comprises two half-shells pivotally connected about an axis of rotation parallel to the axis of the cylinder, so as to allow the opening of the support around the axis of rotation for the introduction of a sample to be observed in the space defined by the support 67.
  • the probe comprises two systems of coils SHS1 and SHS2 according to the invention respectively disposed on an outer surface 81 and an inner surface 82 of a wall 68 of the cylindrical support 67.
  • the two systems SHS1 and SHS2 are independent, each being connected to its own matching-tuning circuit.
  • Each system may be in the form of a flexible printed circuit board 91, 92 as shown in FIGS. 14 (a) and 14 (b).
  • a flexible circuit 91, 92 allows better reproducibility and thus easier industrialization.
  • the printed circuits 91, 92 comprise, for example, a flexible polyamide support.
  • the printed circuits 91, 92 comprise conductive tracks 93, for example made of copper.
  • the track thickness 93 of the circuit for example measured in a radial direction of the carrier, is preferably between 35 ⁇ m and 80 ⁇ m.
  • the track width w is for example about 3 mm, offering a compromise between the resistance of the circuit and the occupation of the surface by the copper track.
  • the printed circuits 91, 92 each comprise two pairs of coils 10, 20 connected in series.
  • the circuits 91, 92 may comprise at least one external connection, for example a tape or an electrical conductor wire, which connects parts of the circuit.
  • the circuits 91, 92 each have an external connection (not shown) in an area 95 substantially in the middle of the track 93.
  • other external connection arrangements do not come out. not within the scope of the present invention.
  • each coil system SHS1, SHS2 are divided, along the length of the tracks 93 constituting the coils 10, 20, into a plurality of segments 19, 29 by segmentation capacitors (not shown) welded to the level of metal fittings 99.
  • the two systems are offset by an angle of 90 ° around the axis of revolution Y of the cylindrical support, which is also the axis of symmetry Y of the envelope surface of SHS1, SHS2 coil systems. This makes it possible to minimize the magnetic coupling between the two coil systems.
  • the distance d between the SHS1 and SHS2 systems is preferably equal to or greater than 75 ⁇ m. This makes it possible to avoid excessive coupling in the case of squaring.
  • One of the two systems may have apertures 98 for outputting the segmentation capacitors of the other system SHS1.
  • This allows the two antenna systems SHS1, SHS2 to have close diameters.
  • the capacitors used have for example a thickness of 2-3mm.
  • the position of the coils of the systems SHS1 and SHS2 can be modified between the two systems SHS1 and SHS2, in order to avoid the superposition of the tracks 93 of the coils 10, 20 of the two systems SHS1, SHS2 in the radial directions of the support 67. This allows to avoid a too important coupling between the two systems SHS1, SHS2.
  • the support 67 is made of dielectric material.
  • the support 67 comprises a polyamide or other non-conductive material for producing a flexible circuit.
  • the probe is surrounded by an outer shield, that is to say between the probe and a magnet tunnel at least partially surrounding the probe.
  • an outer shield that is to say between the probe and a magnet tunnel at least partially surrounding the probe.
  • This shield comprises for example a copper foil or a shielding grid.
  • the reels of the reel system may be associated in other combinations.
  • the device has more than two systems.

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Abstract

Dispositif de résonance magnétique nucléaire ou d'imagerie par résonnance magnétique, comportant un système de bobines (1) comportant N paires de bobines (10, 20), où N est un entier supérieur à 1, ces bobines (10, 20) s'étendant au moins partiellement selon une surface enveloppe (E) du système de bobines à symétrie de révolution, chaque bobine (10, 20) comportant au moins deux portions opposées (11, 21) définissant un plan associé (P1, P2) parallèle à un premier plan médian (M) de la surface enveloppe (E) contenant un axe de symétrie (Y) de la surface enveloppe (E), les portions opposées (11, 21) des bobines (10, 20) d'une même paire étant disposées de manière symétrique par rapport au premier plan médian (M), les portions opposées (11, 21) d'une bobine (10, 20) étant disposées de manière symétrique par rapport à un deuxième plan médian (N) contenant ledit axe de symétrie (Y) et perpendiculaire au premier plan médian (M).

Description

SYSTEME DE BOBINES POUR UTILISATION EN RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE ET IMAGERIE PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE
La présente invention concerne les systèmes de bobines et leurs utilisations dans des procédés d’imagerie et/ou de spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN).
La RMN requiert une source de champ magnétique statique homogène pour la polarisation des spins combinée à une source de champ magnétique alternatif à la fréquence de résonance gyromagnétique d’un noyau d’un échantillon à observer pour l'excitation et/ou la détection des spins de celui-ci. Ces sources sont couramment réalisées au moyen de bobines.
Dans un champ magnétique statique Bo, les spins d’un noyau atomique précessent à la fréquence de Larmor ( wo ) selon wo=gBo, où g est le rapport gyromagnétique et Bo l’intensité du champ magnétique statique.
Le phénomène de résonance magnétique est classiquement observé au moyen d’une sonde prenant la forme d’une bobine (coil), c'est-à-dire un circuit électrique fermé qui est le siège d’une tension induite. Pour produire le champ radiofréquence (RF)et/ou capter le signal de RF, les bobines sont accordées pour correspondre à la fréquence de résonance de précession du noyau atomique à mesurer, en général du proton, qui se trouve dans le champ magnétique statique Bo et adaptée à l’impédance d’entrée de l’amplificateur de puissance (standard de 50 Ohms), de façon à optimiser le transfert de puissance.
La sonde doit avoir la caractéristique de produire un champ magnétique homogène dans un volume d’intérêt le plus grand possible et présenter un rapport signal à bruit élevé, ce qui se traduira soit en réduction du temps d’acquisition soit en amélioration de la résolution pour un temps d’acquisition donné. Le rapport signal à bruit des bobines impacte directement la performance de l’acquisition tandis que leur homogénéité en champ magnétique sur le volume d’intérêt conditionne l’homogénéité de l’image IRM.
Pour satisfaire ce besoin, une grande variété de sondes a été développée pour l'observation du signal RMN: bobines Helmholtz, bobines selle, bobines « birdcage », bobine Bolinger ou encore millipède.
Les bobines dites en cage d’oiseau ou «birdcage», divulguées par Hayes et al. dans l’article « An Efficient, Highly Homogeneous Radio frequency Coil for Whole-Body NMR Imaging at 1.5T » (1985), et les bobines millipède, utilisent un déphasage spatio- temporel pour favoriser une répartition cosinusoidale de la distribution de la densité de courant à la fréquence d’observation du signal RMN (i.e. la fréquence de précession gyromagnétique) .
Les autres bobines exploitent une position adéquate des conducteurs formant les bobines pour se rapprocher de la distribution co sinusoïdale. Une solution, par exemple proposée dans l’article de Bolinger et al. « A Multiple-Frequency Coil with a Highly Uniform Bi Field » (1988), l’article « Bobine pour la production de champs magnétiques à homogénéité élevée ou très élevée » (1978) de Krueger et l’article « High Frequency Coil » (1990) de Fujita, utilise la disposition de brins ou bobines en parallèle pour favoriser l’homogénéité. Dans le cas de la bobine de Bolinger, celle-ci possède plusieurs brins, chacun étant disposé de façon à ce que les projections de ces brins sur le diamètre (cf. Figure 1) soient à égales distances.
Toutefois, ces solutions concernent des géométries cylindriques de type « saddle-coil » telles que divulguées dans l’article « The Signal-to-Noise-Ratio of the Nuclear Magnetic Résonance Experiment » et les bobines sont utilisées à des fréquences telles que la longueur des fils conducteurs reste bien en deçà de la longueur d’onde.
L’invention vise à proposer des solutions de bobinage applicables tant aux géométries de révolution, par exemple cylindrique, qu'aux géométries de révolution sphérique, pour produire un champ magnétique homogène à la fois en statique et à haute fréquence, notamment à des fréquences pour lesquelles les phénomènes propagatifs ne sont plus négligeables, i.e. où les longueurs des conducteurs ne sont plus négligeables devant la longueur d'onde.
L’invention a ainsi pour objet un dispositif de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou d’imagerie par résonnance magnétique (IRM), comportant un système de bobines comportant N paires de bobines, où N est un entier supérieur à 1 , de préférence supérieur à 2, ces bobines s’étendant, au moins partiellement, selon une surface enveloppe du système de bobines, la surface enveloppe étant à symétrie de révolution, notamment sphérique, cylindrique, conique ou ellipsoïdale, chaque bobine comportant au moins deux portions opposées définissant un plan associé parallèle à un premier plan médian de la surface enveloppe contenant un axe de symétrie de la surface enveloppe, les portions opposées des bobines d’une même paire étant disposées de manière symétrique par rapport au premier plan médian, les portions opposées d’une bobine étant disposées de manière symétrique par rapport à un deuxième plan médian contenant ledit axe de symétrie et perpendiculaire au premier plan médian,
système dans lequel lorsqu’observées en coupe dans un plan de symétrie de la surface enveloppe perpendiculaire audit axe de symétrie, les portions opposées des bobines sont disposées suivant un cercle,
système dans lequel la disposition des bobines satisfait aux relations suivantes :
a) dans le cas où le système comporte un nombre impair de bobines avec une bobine centrale s’étendant suivant le premier plan médian
Figure imgf000005_0001
où 0P est l’angle, sur le cercle, entre l’une des portions opposées d’une bobine de la pieme paire de bobines et l’une des intersections du premier plan médian avec le cercle, p étant un entier entre 1 et N, Ip =Npip étant le produit du nombre de spires Np des bobines de la pieme paire de bobines et de l’amplitude du courant ip parcourant ces bobines, par exemple le produit du nombre de spires Np d’une bobine de la peme paire de bobines et de l’amplitude de l’intensité ip du courant parcourant ces bobines, produit aussi appelé « spires-courants » ci-après, et I0 étant le produit du nombre de spires de la bobine centrale et de l’amplitude du courant parcourant la bobine centrale,
b) dans le cas où le système comporte un nombre pair de bobines,
Figure imgf000005_0002
où qr est l’angle, sur le cercle, entre l’une des portions opposées d’une bobine de la pieme paire de bobines et l’une des intersections du premier plan médian avec le cercle, p étant un entier compris entre 1 et N, Ip étant le produit du nombre de spires des bobines de la pieme paire de bobines et de l’amplitude du courant parcourant ces bobines, par exemple le produit du nombre de spires Np d’une bobine de la peme paire de bobines et de l’amplitude de l’intensité ip du courant parcourant ces bobines.
L’invention présente l’avantage d’une facilité de réalisation ainsi que des gains en performance, à la fois au niveau de la sensibilité des bobines et en homogénéité du champ magnétique produit.
La disposition des bobines selon l’invention permet d’annuler les 2N-1 (dans le cas d’un nombre impair de bobines avec N paires de bobines symétriques) ou 2N (dans le cas d’un nombre pair de bobines avec N paires de bobines symétriques et une bobine centrale) harmoniques spatiaux de la distribution de densité de courant. Les variables des Equations 1 et 2 sont les N angles 0P et les N produits « spires-courants » Ip.
Les différentes variables peuvent aisément être fixées par l’utilisateur pour satisfaire à des contraintes propres à l’application ou à la mise en œuvre.
Les bobines peuvent être alimentées avec des courants de même amplitude. De préférence, les bobines sont alimentées avec des courants de même intensité en amplitude efficace. C’est notamment le cas lorsque les spires sont en série et que les courants dans les bobines sont tous égaux. Dans la présente invention, l’amplitude est l’amplitude efficace.
De préférence, deux bobines d’une même paire de bobines comportent le même nombre de spires. Par exemple, toutes les bobines comportent un même nombre de spires
Chaque bobine peut comporter des portions opposées s’étendant suivant une surface enveloppe sphérique, les bobines étant de préférence des bobines circulaires.
Dans une variante, chaque bobine comporte deux portions opposées rectilignes s’étendant suivant une surface enveloppe cylindrique et parallèle à son axe et au moins une portion courbe reliant les portions opposées.
Les bobines peuvent être reliées en série ou en parallèle. Dans le cas de bobines associées en parallèle à basse fréquence, telle qu’inférieure à 30MHz (gamme standardisée HF), les courants dans les bobines peuvent satisfaire l’expression Znin=Ziii, où Zi et Zn sont respectivement l’impédance d’une bobine de la iieme paire de bobines et de la nieme paire de bobines, i et n’étant des nombres entiers quelconques entre 1 et N. Les bobines peuvent être mono-spires. Dans une variante, les bobines sont multi- spires.
Le dispositif peut être utilisé en régime statique. Dans ce cas, les courants dans les bobines sont continus.
Lorsque la surface enveloppe est à symétrie sphérique, les angles qr et les
« spires-courant » Ip sont de préférence solution de l’équation
Figure imgf000007_0001
où R est le rayon de la surface enveloppe sphérique, mo est la perméabilité magnétique du vide et B0bj est l’amplitude du champ magnétique à générer.
Le jeu d’équation complet à résoudre est alors le suivant :
Figure imgf000007_0003
Les solutions des 2 jeux d’équations qui précèdent n’étant pas nécessairement uniques, le choix de la solution optimale sera conditionné par la minimisation des pertes par effet Joule.
Le dispositif peut également être configuré pour être utilisé comme sonde RMN ou IRM. Dans le cas où toutes les bobines comportent un même nombre de spires, les angles On étant de préférence choisis de manière à maximiser l’expression
Figure imgf000007_0002
. Cela permet de maximiser la sensibilité du système de bobines Scoii, définie par B/I, où B/I est le champ magnétique d’excitation des spins par unité de courant, tel que défini par « The signal-îo-noise ratio of the nuclear magnetic résonance experiment » by Houtl DI et al. (1976).
Dans le cas où toutes les bobines sont en série, la sensibilité Scoii est proportionnelle à
Figure imgf000008_0001
Npcos2 (qr). Dans le cas où toutes les bobines sont en parallèle la sensibilité Scoii est proportionnelle à
Figure imgf000008_0002
De préférence, la sensibilité est maximisée. Pour cela, il faudra associer à la résolution du jeu d’équations d’annulation des harmoniques, la maximisation de la sensibilité Scoii (comme explicité par les jeux d’équation Eq. (lier) et Eq. (2ter)) et ainsi favoriser le rapport signal à bruit.
Figure imgf000008_0003
Le dispositif peut être configuré pour être utilisé comme sonde d’excitation des spins et/ou détection des spins à basse fréquence. Par basse fréquence, il faut comprendre que les longueurs des fils sont inférieures à une fraction de la longueur d’onde, par exemple 1/8, voire 1/10, de la longueur d’onde à la fréquence de résonance gyromagnétique, i.e. la longueur d’onde d’un signal RMN à détecter, comme indiqué par Mispelter et al., page 103 de son ouvrage « NMR probeheads for biophysical and medical experiments ». La fréquence d'une sonde en basse fréquence appartient aux gammes de fréquences du quasi-continu à 30MHz (gamme standardisée HF).
Le dispositif peut être configuré pour être utilisé comme sonde RMN ou IRM en haute fréquence, par exemple supérieure à 30MHz. Dans ce cas, le système de bobines est de préférence divisé, le long de la longueur du et des fils conducteurs constituant les bobines, en une pluralité de segments, ces segments étant reliés entre eux par des condensateurs de segmentation de façon à ce que la fréquence de résonance globale du système coïncide avec la fréquence de résonance de précession gyromagnétique du noyau à observer. La fréquence de résonance globale co0 du système est égale à 1
Figure imgf000009_0001
LC sq, où L est la valeur de l’inductance du système et Csq est la capacité du condensateur équivalent à tous les condensateurs placés dans le circuit de la sonde. Dans le cas où tous les condensateurs de segmentation sont en série, la fréquence de résonance globale co0 du système est égale à 1/ IL—, où L est la valeur
Hs
de l’inductance du système, Cs est la capacité des condensateurs de segmentation et Hs est le nombre total de condensateurs de segmentation. De préférence les longueurs des segments sont sensiblement identiques au sein d’une bobine, avec une tolérance de 10% au sein d’une bobine, sauf à ses extrémités. Cette longueur peut varier d’une bobine à une autre.
Lorsque la longueur de la boucle n’est plus négligeable devant la longueur d’onde, les phénomènes propagatifs ne sont plus négligeables et, d’après Mispelter et al, un déphasage du courant le long du conducteur apparaît, induisant des hétérogénéités de champ magnétique. Ainsi, la longueur d’un segment est de préférence inférieure ou égale à l/8, voire inférieure ou égale à l/10, où l est la longueur d’onde du signal RMN à détecter, afin de pouvoir supposer un fonctionnement en approximation des régimes quasi-stationnaires (ARQS), dans lequel le temps de propagation des ondes électromagnétiques devant la période du signal peut être considéré comme négligeable.
Le dispositif peut comporter deux systèmes de bobines s’étendant suivant un support isolant, de préférence cylindrique, notamment de section circulaire, les deux systèmes étant par exemple disposés respectivement sur une surface extérieure et une surface intérieure d’une paroi du support. La distance entre les systèmes, par exemple égale à l’épaisseur de la paroi du support, est de préférence égale ou supérieure à 75 pm. Ceci permet d’éviter des couplages trop importants dans le cas de la quadrature. Les deux systèmes, dits en quadrature, peuvent être décalés d’un angle de 90°, autour d’un axe de révolution du support, qui de préférence correspond à l’axe de symétrie de la surface enveloppe des systèmes de bobines.
Le ou chaque système peut être sous forme d’un circuit imprimé flexible.
Les bobines du ou de chaque système peuvent être divisées, le long de la longueur des pistes constituant les bobines, en une pluralité de segments par des condensateurs de segmentation. Par exemple, le circuit imprimé peut comporter des raccords, par exemple métalliques permettant de souder les condensateurs de segmentation.
Lorsque le dispositif comporte deux systèmes, l’un des deux systèmes comporte de préférence des ouvertures pour laisser sortir les condensateurs de segmentation de l’autre système.
Le système de bobines peut être associé à un amplificateur bas bruit haute impédance afin d’optimiser le rapport signal à bruit, comme il est montré par Resmer et al., dans l’article intitulé « Cryogénie receive coil and low noise preamplifier for MRI aï 0.01 T» publié en 2010 dans Journal of Magnetic Résonance.
Le dispositif peut être configuré pour être utilisé comme sonde RMN ou IRM. Les bobines peuvent être associées à un circuit d’accord et d’adaptation (« tuning- matching »).
Le dispositif peut être configuré pour permettre l’introduction d’un échantillon, au moins partiellement, à l’intérieur du volume délimité par la surface enveloppe. Le dispositif peut comporter un support, ayant sensiblement la même forme que la surface enveloppe, sur lequel sont disposées les bobines, le support pouvant être ouvert, par exemple par déplacement relatif des différentes parties du support, notamment suivant un axe de celui-ci, afin de permettre l’introduction d’un échantillon à l’intérieur du support.
Le dispositif, en tant que sonde volumique, peut être associé à des sondes de surface, comme il est connu de la littérature sur le sujet. On peut notamment se référer au mémoire de thèse de Sonam Togbay (2004), intitulé « Novel Concepts for RF Surface Coils with Integrated Receivers ».
L’invention a encore pour objet une sonde RMN ou IRM comportant un dispositif selon l’invention.
L’invention a encore pour objet une sonde RMN ou IRM comportant des systèmes selon l’invention combinés en quadrature, comme il est connu pour les sondes volumiques depuis les travaux de Chen et al., rapportés dans l’article « Quadrature détection coils - a Further 2 improvement in sensitivity » publié en 1984 dans le Journal of Magnetic Résonance.
L’invention a encore pour objet une bobine pour sonde RMN ou IRM, comportant au moins un fil conducteur électrique et au moins un condensateur de segmentation, le fil conducteur étant divisé, le long de sa longueur, en une pluralité de segments par le ou les condensateurs de manière à ce que les longueurs de ces segments soient sensiblement identiques, le nombre de segments et la capacité des condensateurs étant choisis de façon à ce que la fréquence de résonance globale de la bobine coïncide avec la fréquence de résonance de précession gyromagnétique d’un noyau atomique d’un échantillon à observer, par exemple autour de 42 MHz/T en IRM, ce qui correspond à la fréquence de résonance des atomes d’hydrogène.
De préférence, la longueur d’un segment est par exemple inférieure ou égale à l/8, de préférence inferieur ou égale à l/10, où l est la longueur d’onde d’un signal RMN à détecter.
L’invention a encore pour objet une sonde RMN ou IRM comportant au moins une bobine selon l’invention telle que décrite ci-dessus, et une source de source de champ magnétique statique homogène B0 pour la polarisation des spins du noyau atomique de l’échantillon à observer, l’intensité de champ magnétique statique homogène B0 étant de préférence comprise entre lmT et 20T.
La sonde RMN ou IRM peut comporter au moins deux bobines selon l’invention telles que décrites ci-dessus et un support isolant, les bobines étant disposées sur le support.
Le support peut comporter un corps à symétrie sphérique ou cylindrique, définissant une surface enveloppe sur laquelle sont disposées les bobines.
Les bobines peuvent être reliées en série ou en parallèle.
Les bobines peuvent être telles que celles du dispositif de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou d’imagerie par résonance magnétique (IRM) selon l’invention.
L’invention a encore pour objet un procédé d’imagerie et/ou de spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN) d’un échantillon à observer, comportant la polarisation des spins des noyaux d’atomes de l’échantillon avec une source de champ magnétique statique homogène B0, et l’excitation et/ou la détection des spins par une source de champ magnétique radiofréquence (RF) alternatif Bi à la fréquence de résonance de précession des noyaux, la source de champ magnétique RF alternatif Bi comportant au moins une bobine inductive qui produit le champ magnétique RF alternatif Bi, la ou les bobines inductives comportant chacune au moins un fil conducteur électrique et au moins un condensateur de segmentation, le fil conducteur étant divisé, suivant sa longueur, en une pluralité de segments par le ou les condensateurs de manière à ce que les longueurs de ces segments soient sensiblement identiques, le nombre de segments et la capacité des condensateurs étant choisis de façon à ce que la résonance globale de la ou des bobines coïncide avec la résonance gyromagnétique du noyau à observer.
De préférence, l’intensité de la source de champ statique B0 est comprise entre lmT et 20T en IRM, le noyau à observer étant de préférence le proton. Cette valeur peut être ajustée si nécessaire.
La source de champ magnétique RF alternatif comporte de préférence au moins deux bobines inductives, les bobines inductives s’étendant au moins partiellement suivant une surface enveloppe à symétrie cylindrique ou sphérique.
Les bobines inductives peuvent être constituées de bobines du dispositif de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou d’imagerie par résonnance magnétique (IRM) selon l’invention telle que définie en premier lieu.
L’invention a encore pour objet un procédé d’imagerie et/ou de spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN) d’un échantillon à observer, comportant la polarisation des spins de noyaux d’atomes de l’échantillon avec une source de champ magnétique statique homogène B0, et l’excitation et/ou la détection des spins des noyaux par une source de champ magnétique radiofréquence (RF) alternatif Bi à la fréquence de résonance de précession des noyaux, la source de champ magnétique RF alternatif Bi comportant un dispositif de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou d’imagerie par résonnance magnétique (IRM) selon l’invention.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et au vu du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 divulgue, de manière schématique et en perspective, un système de bobines d’un dispositif selon l’invention, ayant une surface enveloppe de géométrie sphérique, - la figure 2 divulgue, de manière schématique, une variante d’un système de bobines d’un dispositif selon l’invention, ayant une surface enveloppe de géométrie cylindrique,
- la figure 3 est une vue en coupe suivant un plan de symétrie perpendiculaire aux premier et deuxième plans médians selon l’invention,
- les figures 4 à 6 représentent des variantes de systèmes de bobines selon l’invention,
- les figures 7 à 9 représentent, de manière schématique, des variantes de segmentation de systèmes de bobines selon l’invention, et
- les figures 10 à 12 illustrent d’autres variantes de réalisation selon l’invention,
- la figure 13 illustre une autre variante de réalisation d’un dispositif selon l’invention,
- les figures 14(a) et 14(b) illustrent les systèmes de bobines de la figure 13.
Le système 1 de bobines illustré à la figure 1 comporte deux paires de bobines
10 et 20 ayant chacune des portions opposées 11 et 21. Ces bobines 10 et 20 sont de forme circulaire et s’étendent généralement suivant une surface enveloppe sphérique Z.
Les bobines 10, 20 sont disposées de manière symétrique par rapport à un premier plan médian M de la surface enveloppe E, qui contient un axe de symétrie Y de la surface enveloppe. Les bobines 10, 20 ont des plans associés Pi et P2 définis par des portions opposées 11, 21 des bobines 10, 20 qui sont parallèles au premier plan médian M. Les portions opposées 11, 21 en arc de cercle d’une paire de bobines 10, 20 sont disposées de manière symétrique par rapport à un deuxième plan médian N contenant l’axe de symétrie Y et perpendiculaire au premier plan médian M.
Dans la variante illustrée à la figure 2, le système 1 comporte deux paires de bobines 10 et 20. Ces dernières comportent chacune deux portions opposées 11 et 21 rectilignes s’étendant suivant une surface enveloppe cylindrique S. Les portions opposées 11, 21 des bobines 10 et 20 d’une même paire de bobines ont la même longueur selon l’axe de symétrie Y de la surface enveloppe E. Dans chacune des bobines 10 et 20 d’une même paire de bobines, les portions opposées 11, 21 sont reliées par une portion courbe 17, 27 à une même hauteur selon l’axe de symétrie Y. Les portions opposées 11 et 21 des bobines 10 et 20 de différentes paires sont reliées à des hauteurs différentes. Les portions courbes 17 et 27 s’étendent suivant la surface enveloppe cylindrique. La répartition des portions opposées 11 et 21 des bobines selon les figures 1 et 2 est illustrée sur la figure 3, qui est une vue dans un plan de symétrie perpendiculaire à l’axe de symétrie Y de la surface enveloppe E.
Les portions opposées 11 et 21 sont disposées suivant un cercle Q de rayon R où R est égal au rayon Rs de la surface enveloppe S sphérique de la figure 1 ou au rayon Rc de la surface enveloppe S cylindrique de la figure 2.
Une intersection I du premier plan médian M avec le cercle Q forme, sur le cercle, un angle qi avec les bobines 10 de la première paire de bobines Q et un angle 02 avec les bobines 20 de la deuxième paire de bobines.
Les angles qi et 02 sont des solutions du système d’équations Eq.4, qui s’écrit, d’après le système d’équation Eq.2 et avec N=2, de la manière suivante
Figure imgf000014_0001
La figure 4 illustre une variante d’un dispositif comportant 3 paires de bobines 10, 20 et 30, configurées pour être utilisées en régime statique. Une condition selon l’équations 3 est de plus ajoutée au système d’équations selon l’équation 2 pour déterminer la répartition des bobines.
Chaque bobine comporte Nt spires. Pour un champ objectif de 8mT, le système d’équations 5 analogue à au système d’équations 2bis avec n=3 s’écrira par exemple :
Figure imgf000014_0002
cos(S9 -L) + I2cos( S92) + I3cos(S93 ) = 0
^cosije^ + I2cos(J92 ) + I3cos(J93 ) = 0 (Eq.5)
^cosi^e^) + I2cos(992 ) + I3cos(993 ) = 0
IiCosÇlWi) + I2cos(lW2 ) + I3cos(lW3) = 0
La solution de ce jeu d’équations, résolu au moyen d’un algorithme de minimisation, conduit à : L=l .305A, I2=1.0465A, I3=0.5808, qi=0.2044, q2=0.6732, q3=1.120.
Cette solution favorise une homogénéité à 1% sur 80% du diamètre de la surface enveloppe tout en répartissant les pertes par effet Joule sur les différentes bobines. Dans la variante de la figure 5, le système 1 de bobines comporte 2 paires de bobines 10, 20 s’étendant suivant une surface enveloppe sphérique E de rayon R =l00mm. Chacune bobine 10, 20 comporte 320 spires. Les bobines formant une paire de bobines sont reliées en parallèle et chaque paire de bobines est alimentée indépendamment pour pouvoir ajuster l’homogénéisation du champ. Le système permet une homogénéité meilleure que 300ppm dans un volume de lcm3.
Dans la variante de la figure 6, la système 1 de bobines comporte 2 paires de bobines mono-spires 10, 20 reliées en série s’étendant suivant une surface enveloppe cylindrique E. Dans ce mode de réalisation, les portions opposées 11 des bobines 10 de la première paire de bobine et les portions opposées 21 des bobines 20 de la deuxième paire ont une même longueur selon l’axe de symétrie Y de la surface enveloppe E. Les portions opposées 11 et 21 des bobines 10 et 20 de différentes paires sont reliées à une même hauteur.
La variante de système 1 illustrée à la figure 7 est relié à un circuit 51 d’accord et d’adaptation. Dans l’exemple illustré, le circuit d’accord et d’adaptation 51 comporte un condensateur 52 monté en série avec le système 1 de bobines et deux condensateurs 53, 54 montés en parallèle avec les bobines 10, 20.
D’autres types de circuits d’accord et d’adaptation 51, par exemple tels que décrits dans les publications Mispelter et al. peuvent être utilisés.
Toutes les bobines 10, 20 du système 1 peuvent être reliées en parallèle, comme illustré dans la variante de la figure 7.
Dans une variante illustrée à la figure 8, toutes les bobines 10, 20 du système 1 sont reliées en série, comme illustré.
Dans la variante de la figure 9, les bobines 10, 20 sont reliées en série entre elles par des portions intermédiaires 18, 28.
Dans les modes de réalisation illustrés aux figures 7 à 9, le système de bobines 11, 22 est divisé en une pluralité de segments 19, 29 par des condensateurs de segmentation 46.
De préférence, les condensateurs 46 sont disposés de manière à ce que les segments 19, 29 aient sensiblement la même longueur Lb lorsque les bobines 10, 20 sont reliées en série par leurs extrémités. Dans le cas où les bobines comportent chacune une pluralité de spires, un segment 19, 29 peut également comporter plusieurs spires et/ou des conducteurs appartenant aux spires des différentes bobines. Lorsque les bobines 10, 20 sont reliées en parallèle, les condensateurs 46 sont de préférence choisis et/ou disposés de manière à ce que les courants dans chacune des bobines 10, 20 soient identiques ou vérifient la relation Znin=Zdi.
Dans la variante illustrée à la figure 8, le nombre Hs de condensateurs de segmentation 46 est égal à 8. De préférence, tous les condensateurs de segmentation 46 présentent la même capacité. Dans ce cas, indépendamment de la manière dont les bobines sont associées, la résonance globale co0 de la sonde ainsi obtenue sera proche de 1/ L. Cs/ 8, où Cs est la capacité d’un condensateur de segmentation 46 et L est l’inductance du système. Les valeurs de Cs sont choisies de manière à faire coïncider la résonance globale co0 de la sonde avec la résonance gyromagnétique du noyau à observer.
Grâce à la présence des condensateurs de segmentation 46, les sondes RMN ou IRM peuvent être utilisées en basse fréquence mais également en haute fréquence.
Un système de bobines analogue à celui de la figure 7 peut être réalisé en disposant les bobines 10, 20 suivant une surface enveloppe cylindrique, telle qu’illustrée à la figure 10.
Le système est une sonde inductive comportant trois paires de bobines 10, 20, 30 disposées sur un support isolant 67 de forme cylindrique. Les bobines 10, 20, 30 sont reliées en parallèle à leur extrémité. La sonde comporte par exemple deux parties reliées de manière articulée via une génératrice du support 67.
Ce système, lorsqu’utilisé comme sonde RMN portable avec une résonance en basse fréquence jusqu’à 330kHz, a permis d’améliorer le SNR d’un facteur 2 par rapport à une bobine de type « saddle-coil » utilisée dans les mêmes conditions, c’est-à-dire avec le même champ statique principal Bo, le même amplificateur bas bruit, le même échantillon, et la même séquence d’acquisition.
Dans l’exemple de la figure 11, la sonde comporte deux paires de bobines mono spire en série, disposées sur un support isolant cylindrique 67. Dans l’exemple de la figure 12, le support comporte deux paires de bobines mono-spire en parallèle.
La sonde comporte une base portant le support isolant et comportant un logement pour recevoir le circuit d’accord et d’adaptation 51.
Dans le cas de la sonde de la figure 11 utilisée pour l’observation du proton dans un champ de 9.4T, les résultats expérimentaux ont démontré à la fois une amélioration de l’homogénéité du champ et du SNR de près de 30%. Dans un mode de réalisation, la sonde peut être réalisée pour être « clipsable ». Le support isolant 67 comporte deux demi-coques reliées de manière pivotante autour d’un axe de rotation parallèle à l’axe du cylindre, de façon à permettre l’ouverture du support autour de l’axe de rotation pour l’introduction d’un échantillon à observer dans l’espace défini par le support 67.
Dans l’exemple de la sonde selon la figure 13, celle-ci comporte deux systèmes de bobines SHS1 et SHS2 selon l’invention disposés respectivement sur une surface extérieure 81 et une surface intérieure 82 d’une paroi 68 du support 67 cylindrique. Les deux systèmes SHS1 et SHS2 sont indépendants, chacun étant reliés à son propre circuit d’accord- adaptation.
Chaque système peut être sous forme d’un circuit imprimé 91, 92 flexible, tel qu’illustré aux figures 14(a) et 14(b). Un circuit imprimé 91, 92 souple permet une meilleure reproductibilité et donc une industrialisation plus facile. Les circuits imprimés 91, 92 comportent par exemple un support flexible en polyamide.
Les circuits imprimés 91, 92 comportent des pistes conductrices 93, par exemple en cuivre. L’épaisseur de piste 93 du circuit, par exemple mesurée dans une direction radiale du support est de préférence comprise entre 35 pm et 80mhi. La largeur w de piste est par exemple d’environ 3mm, offrant un compromis entre la résistance du circuit et l’occupation de la surface par la piste de cuivre.
Dans l’exemple illustré, les circuits imprimés 91 , 92 comportent chacun deux paires de bobines 10, 20 reliées en série. Les circuits 91, 92 peuvent comporter au moins une connexion extérieure, par exemple un scotch ou un fil conducteur électrique, qui relie des parties du circuit. Par exemple, dans l’exemple illustré, les circuits 91, 92 comportent chacun une connexion extérieure (non illustrée) dans une zone 95 située substantiellement au mi- chemin de la piste 93. Bien entendu, d’autres dispositions de connexion extérieure ne sortent pas de la portée de la présente invention.
Les bobines 10, 20 de chaque système de bobines SHS1, SHS2 sont divisées, le long de la longueur des pistes 93 constituant les bobines 10, 20, en une pluralité de segments 19, 29 par des condensateurs de segmentation (non illustrés) soudés au niveau des raccords métalliques 99.
Les deux systèmes, dits en quadrature, sont décalés d’un angle de 90° autour de l’axe de révolution Y du support cylindrique, qui est également l’axe de symétrie Y de la surface enveloppe des systèmes de bobines SHS1, SHS2. Cela permet de minimiser le couplage magnétique entre les 2 systèmes de bobines.
La distance d entre les systèmes SHS1 et SHS2, par exemple égale à l’épaisseur de la paroi 68 mesurée dans une direction radiale du support 67, est de préférence égale ou supérieure à 75 pm. Ceci permet d’éviter des couplages trop importants dans le cas de la quadrature.
L’un des deux systèmes, par exemple le système SHS2 dans le mode de réalisation illustré, peut comporter des ouvertures 98 pour laisser sortir les condensateurs de segmentation de l’autre système SHS1. Cela permet aux deux systèmes d’antennes SHS1, SHS2 d’avoir des diamètres proches. Les condensateurs utilisés ont par exemple une épaisseur de 2-3mm.
La position des bobines des systèmes SHS1 et SHS2 peut être modifiée entre les deux systèmes SHS1 et SHS2, afin d’éviter la superposition des pistes 93 de bobines 10, 20 des deux systèmes SHS1, SHS2 dans les directions radiales du support 67. Ceci permet d’éviter un couplage trop important entre les deux systèmes SHS1, SHS2.
Le support 67 est en matériau diélectrique. Par exemple, le support 67 comporte un polyamide ou un autre matériau non conducteur permettant de réaliser un circuit souple.
De préférence, la sonde est entourée d’un blindage extrérieur, c’est à dire entre la sonde et un tunnel d’aimant entourant au moins partiellement la sonde. Cela permet de confiner le champ de la sonde. De préférence la sonde a un diamètre proche de celui du tunnel d’aimant. Ce blindage comporte par exemple une feuille de cuivre ou une grille de blindage.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits.
Par exemple, les bobines du système de bobines peuvent être associées selon d’autres combinaisons.
Par exemple, le dispositif comporte plus de deux systèmes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou d’imagerie par résonnance magnétique (IRM), comportant un système de bobines (1) comportant N paires de bobines (10, 20, 30), où N est un entier supérieur à 1, de préférence supérieur à 2, ces bobines (10, 20, 30) s’étendant, au moins partiellement, selon une surface enveloppe (E) du système de bobines, la surface enveloppe (E) étant à symétrie de révolution, chaque bobine (10, 20, 30) comportant au moins deux portions opposées (11, 21) définissant un plan associé (Pl, P2) parallèle à un premier plan médian (M) de la surface enveloppe (E) contenant un axe de symétrie (Y) de la surface enveloppe (E), les portions opposées (11 , 21) des bobines (10, 20, 30) d’une même paire étant disposées de manière symétrique par rapport au premier plan médian (M), les portions opposées (11, 21) d’une bobine (10, 20, 30) étant disposées de manière symétrique par rapport à un deuxième plan médian (N) contenant ledit axe de symétrie (Y) et perpendiculaire au premier plan médian (M),
système dans lequel lorsqu’observé en coupe dans un plan de symétrie (S) de la surface enveloppe (E) perpendiculaire audit axe de symétrie (S), les portions opposées (1 1, 21) des bobines (10, 20, 30) sont disposées suivant un cercle (Q),
la disposition des bobines (10, 20, 30) satisfaisant aux relations suivantes : a) dans le cas où le système comporte un nombre impair de bobines (10, 20, 30) avec une bobine centrale s’étendant suivant le premier plan médian (M)
Figure imgf000019_0001
où 0P est l’angle, sur le cercle (Q), entre l’une des portions opposées (11 , 12) d’une bobine de la peme paire de bobines (10, 20, 30) et l’une des intersections (Mi, M2) du premier plan médian (M) avec le cercle (Q), p étant un entier entre 1 et N, Ip =Npip étant le produit du nombre de spires Np d’une bobine (10, 20, 30) de la peme paire de bobines et de l’amplitude de l’intensité ip du courant parcourant ces bobines (10, 20, 30), et I0 le produit du nombre de spires de la bobine centrale et de l’amplitude de l’intensité du courant parcourant la bobine centrale;
b) dans le cas où le système comporte un nombre pair de bobines,
Figure imgf000020_0001
où 0P est l’angle, sur le cercle, entre l’une des portions opposées (11, 12) d’une bobine (10, 20, 30) de la peme paire de bobines et l’une des intersections (Mi, M2) du premier plan médian (M) avec le cercle (Q), p étant un entier entre 1 et N, Ip le produit du nombre de spires d’une bobine (10, 20, 30) de la peme paire de bobines et de l’amplitude de l’intensité du courant parcourant ces bobines (10, 20, 30).
2. Dispositif selon la revendication 1, chaque bobine (10, 20, 30) comportant des portions (11, 21) opposées s’étendant suivant une surface enveloppe (E) sphérique, les bobines (10, 20, 30) étant de préférence des bobines circulaires.
3. Dispositif selon la revendication 1, chaque bobine (10, 20, 30) comportant deux portions opposées (11, 21) rectilignes s’étendant suivant une surface enveloppe (E) cylindrique et parallèle à son axe (Y), et au moins une section courbe (17, 27) reliant les portions opposées (11, 21).
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les bobines (10, 20, 30) étant reliées en série ou en parallèle.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, deux bobines d’une même paire de bobines (10, 20, 30) comportant un même nombre de spires.
6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les bobines (10, 20, 30) étant mono-spires.
7. Dispositif selon la revendication 2, les courants étant continus, les angles 0P et les produits Ip du nombre de spires d’une bobine (10, 20, 30) de la peme paire de bobines et de l’amplitude de l’intensité du courant parcourant ces bobines (10, 20, 30) étant solutions de l’équation
Figure imgf000021_0001
où R le rayon de la surface enveloppe (E) sphérique, mo perméabilité magnétique du vide et Bobj est l’amplitude du champ magnétique à générer.
8. Dispositif selon la revendication 7, étant configuré pour être utilisé comme sonde RMN ou IRM, les angles 0n étant choisis de manière à maximiser l’expression
Figure imgf000021_0002
9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, étant configuré pour être utilisé comme sonde RMN ou IRM en haute fréquence, le système de bobines étant de préférence divisé, le long de la longueur du et des fils conducteurs constituant les bobines (10, 20), en une pluralité de segments (19, 29), les segments (19, 29) étant de préférence de longueur sensiblement identique au sein d’une même bobine (10, 20, 30) avec une tolérance de 10% au sein d’une bobine, où Nb est un entier supérieur à 1, et reliés entre eux par des condensateurs de segmentation (46) de façon à ce que la résonance globale (co0) du système coïncide avec la résonance gyromagnétique d’un noyau d’un échantillon à observer.
10. Dispositif selon la revendication précédente, la longueur (Lb) d’un segment (19, 29) étant de préférence inférieure à l/8, encore mieux inférieure ou égale à l/10, où l est la longueur d’onde d’un signal RMN à détecter.
11. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système étant configuré pour être utilisé comme sonde RMN ou IRM et les bobines (10, 20, 30) étant associées à un circuit d’accord et d’adaptation (51).
12. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les bobines (10, 20, 30) étant associées en parallèle et Znin=Ziii où Zi et Zn sont respectivement l’impédance d’une bobine de la iieme paire de bobines et de la nieme paire de bobines, i et n étant des entiers quelconques entre 1 et N.
13. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les bobines (10, 20, 30) étant alimentées avec des courants de même intensité en amplitude efficace.
14. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système étant configuré pour être associé à un amplificateur bas bruit haute impédance.
15. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système étant configuré pour permettre l’introduction d’un échantillon, au moins partiellement, à l’intérieur du volume délimité par la surface enveloppe (E).
16. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système étant une sonde volumique et étant associée à des sondes de surface.
17. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant deux systèmes de bobines (SHS1, SHS2) s’étendant suivant un support isolant (67) de préférence cylindrique, notamment de section circulaire, les deux systèmes (SHS1, SHS2) étant disposés respectivement sur une surface extérieure (81) et une surface intérieure (82) d’une paroi (68) du support (67).
18. Dispositif selon la revendication précédente, les deux systèmes (SHS1, SHS2) étant décalés angulairement d’un angle de 90° autour d’un axe (Y) de révolution du support (67).
19. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système étant sous forme d’un circuit imprimé (91, 92) flexible.
20. Dispositif selon la revendication 19, les bobines (10, 20) de chaque système (SHS1, SHS2) étant divisées, selon la longueur des pistes (93) constituant les bobines (10, 20), en une pluralité de segments (19, 29) par des condensateurs de segmentation soudés au niveau de raccords (99), de préférence l’un des deux systèmes (SHS2) comportant des ouvertures (98) pour laisser sortir les condensateurs de segmentation de l’autre système (SHS2).
21. Sonde RMN ou IRM comportant un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 20, configuré pour être utilisé comme sonde d’excitation des spins et/ou de détection des spins.
22. Sonde RMN ou IRM selon la revendication précédente, comportant des dispositifs selon l’une quelconque des revendications 1 à 20, combinés en quadrature.
23. Procédé d’imagerie et/ou de spectrométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN) d’un échantillon à observer, comportant la polarisation des spins de noyaux d’atomes de l’échantillon avec une source de champ magnétique statique homogène (B0), et l’excitation et/ou la détection des spins des noyaux par une source de champ magnétique radiofréquence (RF) alternatif (Bi) à la fréquence de résonance de précession des noyaux, la source de champ magnétique RF alternatif (Bi) comportant un dispositif de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou d’imagerie par résonnance magnétique (IRM) selon l’une quelconque des revendications 1 à 20.
24. Procédé selon la revendication précédente, l’intensité de la source de champ statique étant comprise entre lmT et 20T, le noyau à observer étant le proton.
25. Procédé selon la revendication 23 ou 24, la source de champ magnétique RF alternatif comportant au moins deux bobines inductives, les bobines inductives s’étendant au moins partiellement suivant une surface enveloppe à symétrie cylindrique ou sphérique.
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