EP0380533A1 - Systeme de bobines de gradient pour machine de rmn - Google Patents

Systeme de bobines de gradient pour machine de rmn

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Publication number
EP0380533A1
EP0380533A1 EP88908251A EP88908251A EP0380533A1 EP 0380533 A1 EP0380533 A1 EP 0380533A1 EP 88908251 A EP88908251 A EP 88908251A EP 88908251 A EP88908251 A EP 88908251A EP 0380533 A1 EP0380533 A1 EP 0380533A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gradient
coils
conductors
mandrel
field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP88908251A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guy Aubert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP0380533A1 publication Critical patent/EP0380533A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/42—Screening
    • G01R33/421—Screening of main or gradient magnetic field
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • 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
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/38—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field
    • G01R33/385—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils

Definitions

  • the present invention relates to a gradient coil system for a nuclear magnetic resonance machine (R M N). It is due to the collaboration of the National Service of the Intensive Fields (Director M. Guy AUBERT). This gradient coil system is intended to create a magnetic field gradient in a volume of interest of an NMR device.
  • the invention finds more particularly its application in the medical field where nuclear magnetic resonance imaging is unanimously recognized as a diagnostic aid. It can of course be implemented in other fields.
  • the purpose of the present invention is to contribute to the creation of images of a body to be examined, which are more faithful as well as more precise in their resolution.
  • a nuclear magnetic resonance imaging device essentially comprises three types of coils.
  • a first type of coils (which can optionally be replaced by a permanent magnet) aims to create an intense homogeneous magnetic field B o in a predetermined space of interest.
  • the purpose of a second type of coils, called radio frequencies, is to subject a body examined and placed under the influence of the field of the first coils to radio frequency excitation sequences, and to measure a radio frequency signal retransmitted by particles. of the body at the end of the excitement.
  • the radio frequency response is a volume response: all the particles in a region of the body under examination emit their radio frequency response at the same time. To create an image it is necessary to differentiate these responses.
  • imaging devices include a third type of coil, called gradient, to superimpose on the intense homogeneous field additional magnetic fields.
  • the value of these fields is a function of the coordinates in space of their place of application.
  • it is proposed to organize this differentiation along three orthogonal axes X, Y, Z.
  • the Z axis is even generally taken collinear with the intense field created by the first type of coils.
  • each place in space can be coded to a different field value: the resulting modifications are used in the re-transmitted signal to create the image.
  • Gradient coils are generally divided into three families: the one that creates a gradient along X, the one that creates a gradient along Y, and the one that creates a gradient along Z.
  • a magnetic field gradient along X is a magnetic field whose distribution of the collinear component to the intense field (Z), in space, is only a function of the x coordinate. of its place of application. In practice, it is even preferably proportional to it.
  • Z the intensity of the collinear component
  • all the particles of a body to be examined located in a plane parallel to YZ, and of given abscissa x i are subjected to the same total field B o + G x . x i .
  • the gradient G x is the slope of the variation of the component along Z of the additional field provided by these coils of gradient X.
  • the acquisition of an image therefore requires, during the application of the radio-frequency excitation sequences, the joint application of field gradient sequences.
  • the field gradient sequences depend on the imaging method used. This process can for example be of the type 2 DFT described by MM. A. KUMAR and R. ERNST, or for example of the rear projection type developed by M. P. C. LAUTERBTJR. Whichever imaging method is used, a characteristic of field gradients is that they are pulsed. They are established, they persist for a short time, then they are cut. This can happen one or more times during each sequence. This peculiarity has the consequence that the operation of the coils which produce them must be studied not only in steady state, during the application of the gradients, but still during the transients resulting from their establishment and cutting.
  • NMR machines in order to be able to produce a sufficiently strong uniform magnetic field B o (of the order of 0.5 to 1.5 tesla), comprise coils of the first type produced in a so-called superconductive technology.
  • the intense electric current which flows through the conductors of the superconductive coils of a magnet thus formed does not encounter ohmic resistance. It can be raised, in principle, to a level determined by the characteristics of the material used and obtain a desired field B o .
  • the field B o is longitudinal inside the magnet tunnel, we can say that the electric field which develops there at the time of this collapse is looped on itself on circles, of different diameters, coaxial with the axis (Z) of the machine tunnel. Some of these circles of course develop right in the heart of the area of interest of the NMR machine: where it is supposed to be a patient under examination. In this patient this electric field gives rise to an electric current which can seriously traumatize this patient.
  • the object of the present invention is nevertheless to remedy these drawbacks by proposing a solution which does not call on the technique of the current supplement at the time of the attack of the gradient pulse, which is a definitive solution linked only to the structure of the gradient coils themselves, and which is therefore independent of this or that particular type of gradient pulse.
  • a solution which does not call on the technique of the current supplement at the time of the attack of the gradient pulse, which is a definitive solution linked only to the structure of the gradient coils themselves, and which is therefore independent of this or that particular type of gradient pulse.
  • the invention therefore relates to a gradient coil system called compensated for NMR machine, to eliminate the effects of eddy currents in privileged places of the machine, characterized in that it comprises means so that the magnetic vector potential attached to these gradient coils is minimized in these privileged places.
  • the privileged places could be the screen, or any other part of the space of an NMR machine, where harmful eddy currents could develop at the time of the application of the pulses of the gradient.
  • the metal structures holding ferromagnetic parts as well as these parts themselves if they are conductive could constitute privileged places where the birth of eddy currents should be combated.
  • FIG. 1 represents a system of gradient coils according to the invention.
  • An NMR machine essentially comprises a magnet 1 therein to produce a continuous and intense homogeneous field B o inside an examination zone 2.
  • the machine also includes electromagnetic excitation and imaging devices, not shown.
  • the machine comprises a gradient coil system comprising a first gradient mandrel 3, said interior, in direct contact with region 2 and a second gradient mandrel 4 exterior to the mandrel 3.
  • the gradient mandrels are mandrels which carry the coils gradient.
  • the magnetic fields reported by the mandrels of gradient 3 and 4, when they are supplied by electrical pulses, are such that the magnetic vector potential y is minimized and is even zero there as much as possible.
  • the gradient mandrels will be of the type described in the aforementioned French patent application.
  • Each mandrel has gradient coils to produce field gradients oriented along the X, Y, and Z axes.
  • the useful strands are in the form of circles; for gradients of type X, or Y, these useful strands are constituted by portions of arcs of a circle of given angular opening.
  • d '' a given type placed on an external mandrel and corresponding each time to a gradient coil of the same given type (X, Y, Z) placed on the internal mandrel, one can also calculate the electric field produced under the same conditions .
  • the coils are supplied with the same current by providing for placing the gradient coils of the two mandrels in series at least at the time of application of the gradient pulses.
  • an internal radius r i and an external radius r e for the mandrels 3 and 4 respectively it is possible to determine, by the conventional methods of electromagnetism, by varying the number and the position of the useful conductors in each of the gradient coils. , for what optimal distribution of these conductors the tangential component of the vector potential A is thus canceled or at least minimized.
  • FIGS. 2a and 2b as well as 3a and 3b give exemplary embodiments of gradient coils of type Z and X or Y respectively having, with the values assigned by Tables 1 and 2, the aforementioned advantages.
  • Figures 2a and 3a are figures of gradient coils deployed after longitudinal opening of the mandrel which carries them.
  • Figures 2b and 3b are partial diametral sections of the mandrels.
  • the Z gradient coils in Figure 2a normally have a ferrule shape; the gradient coils X or Y of FIG. 3a normally have the appearance of coils in a horse saddle. A description of the construction of these coils, of their association on a mandrel, and of their electrical supply is described in the aforementioned patent application.
  • the Z gradient coils have the characteristics given in the following table 1:
  • r denotes the internal radius of a mandrel which mechanically would support the gradient coils to be constructed
  • e represents the thickness measured radially to the examination zone 2 of the conductors used
  • n. is the number of ferrules on the inner mandrel 3 of a bundle of contiguous ferrules closest to the central part O of region 2
  • n 2 is the number of ferrules, on the inner mandrel 3, of a bundle of contiguous ferrules situated behind the central region O
  • n 3 represents a number of ferrules of a packet situated on the external mandrel 4.
  • n 3 should be an intermediate number between n 1 and n 2 .
  • the magnitudes d, and d indicate the widths, measured longitudinally, of the conductors of the ferrules. Preferably d is larger and is worth approximately double d.
  • the magnitudes d 1 , d 2 , and d 3 are the abscissae measured along the Z axis of the first ferrules respectively of each of the packets of n 1 , n 2 and n 3 ferrules. In the same way, we realized in the invention that the best solution was obtained for intermediate d 3 between d 1 and d 2 .
  • the two mandrels are moved apart as much as possible from one another and the vacant space is used between them to place therein a mandrel 10 of coils for correcting the homogeneity of the main field B o (fig. 1)

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Abstract

On propose un système de bobines de gradient compensées dans lequel des bobines de gradient réalisées sur deux mandrins (3, 4) coaxiaux à une région (2) d'examen d'une machine de RMN possèdent des conducteurs utiles dont la répartition est telle que lorsqu'ils sont parcourus par un courant nominal ils induisent un potentiel vecteur magnétique nul dans des régions privilégiées de l'espace où on désire éviter la production de courants de Foucault néfastes.

Description

SYSTEME DE BOBINES DE GRADIENT POUR MACHINE DE R M N
La présente invention a pour objet un système de bobines de gradient pour machine de résonance magnétique nucléaire (R M N) . Elle est due à la collaboration du Service National des Champs Intenses (Directeur M. Guy AUBERT) . Ce système de bobines de gradient est destiné à créer un gradient de champ magnétique dans un volume d'intérêt d'un appareil de R M N. L'invention trouve plus particulièrement son application dans le domaine médical où l'imagerie par résonance magnétique nucléaire est unanimement reconnue comme aide au diagnostic. Elle peut bien entendu être mise en oeuvre dans d'autres domaines . Le but de la présente invention est de concourir à la création d'images d'un corps à examiner, plus fidèles ainsi que plus précises dans leur résolution .
Un appareil d'imagerie par résonance magnétique nucléaire comporte essentiellement trois types de bobines. Un premier type de bobines (qui peut être éventuellement remplacé par un aimant permanent) a pour objet de créer un champ magnétique homogène intense Bo dans un espace prédéterminé d'intérêt. Un dexixième type de bobines, dites radio fréquences a pour but de soumettre un corps examiné et placé sous l'influence du champ des premières bobines à des séquences d'excitation radio fréquence, et de mesurer un signal radio fréquence réémis en retour par des particules du corps à l'issue de l'excitation . La réponse radio fréquence est une réponse en volume : toutes les particules d'une région du corps soumises à l'examen émettent en même temps leur réponse radio fréquence . Pour créer une image il est nécessaire de différencier ces réponses . A cette fin, les appareils d'imagerie comportent un troisième type de bobines, dites de gradient, pour superposer au champ homogène intense des champs magnétiques supplémentaires . La valeur de ces champs est fonction des coordonnées dans l'espace de leur lieu d'application. Classiquement, il est proposé d'organiser cette différentiation selon trois axes orthogonaux X, Y, Z . Par convention, l'axe Z est même généralement pris colinéaire au champ intense créé par le premier type de bobines . Autrement dit, chaque lieu de l'espace peut être codé à une valeur de champ différente : on exploite dans le signal réémis les modifications qui en résultent pour créer l'image.
Les bobines de gradient sont généralement réparties en trois familles : celle qui crée un gradient selon X, celle qui crée un gradient selon Y, et celle qui crée un gradient selon Z .
Par exemple un gradient de champ magnétique selon X est un champ magnétique dont la distribution de la composante colinéaire au champ intense (Z) , dans l'espace, est fonction uniquement de la coordonnée x. de son lieu d'application. Dans la pratique, elle y est même de préférence proportionnelle . Ceci signifie que toutes les particules d'un corps à examiner situées dans un plan parallèle à Y-Z, et d'abscisse donnée xi, sont soumises à un même champ total Bo + Gx . xi . Le gradient Gx est la pente de la variation de la composante selon Z du champ supplémentaire apporté par ces bobines de gradient X.
L'acquisition d'une image nécessite donc, au cours de l'application des séquences d'excitation radio-fréquence, l'application conjointe de séquences de gradient de champ . Les séquences de gradient de champ dépendent du procédé d'imagerie mis en oeuvre . Ce procédé peut par exemple être du type 2 D F T décrit par MM. A. KUMAR et R. ERNST, ou par exemple du type rétroprojection élaboré par M. P . C. LAUTERBTJR. Quelle que soit la méthode d'imagerie retenue, une caractéristique des gradients de champ est qu'ils sont puisés. Ils sont établis, ils persistent pendant une durée courte, puis ils sont coupés. Ceci peut advenir une ou plusieurs fois pendant chaque séquence . Cette particularité a pour conséquence que le fonctionnement des bobines qui les produisent doit être étudié non seulement en régime permanent, pendant l'application des gradients, mais encore pendant les transitoires résultant de leur établissement et de leur coupure .
Une autre caractéristique importante des gradients de champ concerne leur homogénéité . Par homogénéité on entend le respect, avec une tolérance donnée , et par un gradient de champ réel, d'une distribution théorique idéale que l'on voudrait imposer. En effet, les in homogénéité s de champ ont pour conséquence de fausser la différentiation que l'on cherche à imposer dans l'espace, et qui est la base même de l'imagerie. De ce point de vue , les problèmes d'homogénéité doivent être aussi bien résolus pour les gradients qu'ils peuvent l'être pour les champs homogènes intenses . Dans une précédente demande de brevet français n° 85 15510, déposée le 18 octobre 1985 par le même Demandeur, on a apporté une solution à un problème contradictoire posé par la réalisation de bobines les plus grandes possibles pour produire des gradients, les plus homogènes possibles, tout en étant les plus petites possibles pour réduire leurs self inductances et réduire ainsi la puissance nécessaire à fournir pour établir ces champs magnétiques supplémentaires . On y a indiqué comment, pour un emplacement imposé, on pouvait trouver des bobines de gradient qui produisent des gradients optimisés suffisamment forts, homogènes, et dont la self inductance est faible .
Mais des bobines de gradient , on dit aussi des gradients , ainsi constitués , s'ils fonctionnent parfaitement d'une manière intrinsèque , présentent des inconvénients lorsqu'ils sont effectivement mis en place dans les machines de de R M N qu'ils sont destinés à équiper . En effet, les machines de R M N, pour pouvoir produire un champ magnétique uniforme Bo suffisamment fort (de l'ordre de 0 , 5 à 1 , 5 tesla) , comportent des bobines de premier type réalisées en une technologie dite supraconducteur . Le courant électrique intense qui parcourt les conducteurs des bobines supraconductrices d'un aimant ainsi constitué ne rencontre pas de résistance ohmique . On peut l'élever, en principe , à un niveau déterminé par les caractéristiques du matériau utilisé et obtenir un champ Bo désiré . Il est seulement nécessaire de maintenir l'intérieur de l'enceinte dans laquelle ces conducteurs sont contenus à une température de supraconductivité . Il est notamment nécessaire d'éviter que l'environnement extérieur de cette enceinte qui se trouve à température ambiante, ne vienne réchauffer cet espace intérieur. Compte tenu d'un degré d'isolation thermique donné, de l'intérieur de l'enceinte vis-à-vis du milieu ambiant, on utilise pour de tels aimants des dispositifs de refroidissement dont la puissance du refroidissement est calculée.
Cependant deux types d'accident peuvent se produire . D'une part le dispositif de refroidissement peut tomber en panne, d'autre part l'intégrité de l'enceinte peut se détériorer et la puissance de refroidissement nécessaire devenir supérieure à celle que le dispositif de refroidissement est susceptible de lui fournir . Dans les deux cas, l'intérieur de l'enceinte se réchauffe et les conducteurs parcourus par le courant électrique créateur du champ uniforme Bo perdent leur supraconductivité . En perdant leur supraconductivité ils deviennent résistants . Sous l'effet de cette résistance et du courant qui les traverse, ils sont eux-mêmes le siège d'une création brutale de chaleur par effet joule. Cette chaleur produite contribue aussi à échauffer l'intérieur de l'enceinte. Ainsi de suite le phénomène va en s 'amplifiant. De cette réaction en chaîne qui se produit il résulte que le champ magnétique uniforme créé tend à s'écrouler puisque le courant électrique inducteur décroît. Cet écroulement est brutal du fait de la réaction en chaîne . Dans la littérature anglo-saxonne on dit d'un aimant qui perd ainsi ses caractéristiques de supraconductivité qu'il "quenche" . Or la variation brutale du champ magnétique Bo entraîne suivant les équations de Maxwell, la naissance d'un champ électrique induit.
Si le champ Bo est longitudinal à l'intérieur du tunnel de l'aimant, on peut dire que le champ électrique qui s'y développe au moment de cet écroulement est bouclé sur lui-même sur des cercles , de différents diamètres , coaxiaux à l'axe (Z) du tunnel de la machine . Certains de ces cercles se développent bien entendu en plein coeur de la zone d'intérêt de la machine R M N : là où est sensé se trouver un patient sous examen . Dans ce patient ce champ électrique donne naissance à un courant électrique qui peut gravement traumatiser ce patient . Pour éviter lerisque de mort auquel ce patient serait ainsi soumis, on a pris l'habitude de réaliser, à l'intérieur de l'aimant et en périphérie du tunnel d'examen, un écran métallique, conducteur de l'électricité , qui est sensé présenter, vis-à-vis du champ électrique induit créé par écroulement du champ magnétique continu, une impédance très faible comparée à l'impédance de l'air d'une part et à celle du corps humain du patient examiné d'autre part . De la sorte, l'énergie libérée par le champ B o établi qui s'écroule est de préférence absorbée par cet écran plutôt que par le corps du patient. Ainsi, au moment d'un tel écroulement, cet écran devient le siège de courants de Foucault très intenses qui provoquent bien sur son échauffement, mais qui ne se développent alors que comparativement très peu dans le corps sous examen . Cet écran a également pour but de protéger l'aimant supraconducteur des perturbations électromagnétiques générées dans le volume intérieur par le processus d'imagerie .
L'avantage apporté par la présence d'un tel écran est par contre, et en application des mêmes principes physiques , une gêne pour l'établissement et la coupure des gradients puisés . En effet, la variation de champ magnétique continu provoqué au moment de l'établissement ou de la coupure des impulsions de gradient a pour effet un champ électrique induit qui se développe sous forme de courants de Foucault dans l'écran de protection . Ces courants de Foucault tendent alors à s'opposer d'une manière connue à l'établissement du champ magnétique supplémentaire de gradient ainsi désiré . Il en résulte que les gradients établis n'atteignent pas immédiatement la valeur qu'on leur assigne. La conséquence de ce défaut est complexe.
D'une part, on ne peut pas considérer dans tout l'espace d'intérêt le gradient comme linéaire . En effet les courants de Foucault réagissent différemment sur les différentes régions de l'espace d'intérêt. Ceci a en soi deux conséquences . Premièrement, plus on s'éloigne d'une zone centrale d'image et plus le gradient est faible par rapport à une valeur nominale . Ceci entraîne en définitive une distorsion géométrique des images obtenues dont, éventuellement, on pourrait se satisfaire.
En effet, si on accepte de ne pas utiliser les images obtenues pour la forme absolue des contours qu'elles révèlent, on peut utiliser ces images en vue de l'établissement d'un diagnostic, par exemple pour déceler la présence de tumeurs à proximité d'organes que l'on arriverait à reconnaître . Par contre, pour des interventions chirurgicales qui seraient éventuellement menées sous l'assistance de robots , cette distorsion géométrique devrait être corrigée. Mais cette non linéarité des gradients entraîne une autre conséquence grave, dans les zones éloignées de la zone centrale . En effet, la variation du gradient entraîne une modification de la taille des éléments de volume pris en compte dans les calculs, discrets , de reconstruction d'images . Cette variation de taille entraîne une variation de l'amplitude du signal détecté correspondant. Comme l'imagerie repose sur la mesure de l'amplitude des signaux reçus , on pourrait être ainsi amené à ne pas voir, par défaut de contraste, la présence de tumeurs dont on cherche justement à détecter la présence .
En plus de ces défauts, il est nécessaire de remarquer que les courants de Foucault sont eux-mêmes producteurs d'un champ magnétique contraire (qui s'oppose au champ supplémentaire de gradient) qui présente l'inconvénient de ne pas se distribuer d'une manière homogène dans l'espace d'intérêt. Autrement dit, non seulement la valeur du gradient espéré n'est pas atteinte ce que l'on pourrait tenter de corriger si on la connaissait exactement, mais d'autre part son homogénéité est détruite . Il est en outre nécessaire de remarquer que l'altération de la valeur du gradient et la destruction de son homogénéité ne sont, pendant l'impulsion de gradient elle-même, que temporaires . En effet dès que les effets des courants de Foucault ont fini de se faire sentir la valeur et l'homogénéité du champ pour lesquelles les bobines de gradient ont été calculées intrinsèquement peuvent être réobtenues . Outre l'écran conducteur dont on vient de discuter le rôle et les inconvénients, la technique cryogénique associée aux aimants supraconducteurs nécessite la mise en place de diverses enveloppes conductrices (parois du cryostat, écrans de radiation) dans lesquelles se développent également des courants de Foucault .
Dans l'état de la technique on a tenté de remédier à ces inconvénients de diverses manières . Dans une première technique, dite "overshoot" dans la littérature anglo-saxonne , on a cherché à combattre le déficit de la valeur du gradient au moment de son application par l'application d'une impulsion de courant beaucoup plus forte au début de cette impulsion que pendant le maintien de cette impulsion . Cette technique qui a donné en partie satisfaction présente cependant deux inconvénients . Premièrement les dépassements de courant sont très importants . En pratique ils atteignent de 30 à 40 % de la valeur nominale du courant nécessaire pour maintenir les gradients prévus . Les alimentations électriques qui alimentent les bobines de gradients doivent donc être capables de supporter temporairement ce débit supplémentaire de courant . Aux puissances mises en jeu (de l'ordre de 30 à 40 KW) , ces technologies ne sont pas aisées à maîtriser . Deuxièmement, autant avec ce dépassement temporaire de courant on peut vaincre les déficits de niveau du gradient appliqué, autant avec le supplément de courant de Foucault que ce dépassement provoque lui-même on provoque un supplément de destruction de l'homogénéité de gradient du champ créé . Dans la pratique, on a toujours recherché un compromis entre ces deux exigences . Plus récemment, dans un brevet américain n° 4 647 858 déposé le 29 juillet 1985 et délivré le 3 mars 1987 il a été proposé une autre technique dite d'"overcoming" . Dans celle-ci, chaque impulsion de gradient d'un procédé d'imagerie est suivie d'impulsions de gradient sur les autres axes . Ces impulsions tendent à effacer les effets néfastes des courants de Foucault sur l'homogénéité du gradient utile puisé. En quelque sorte, et un peu à la manière de la technique dite d'écho de spin utilisée pour combattre les inhomogénéités du champ principal B on provoque ainsi un écho de courants de Foucault dont on espère qu'il va venir exactement annuler les effets délétères des courants de Foucault nés lors de l'établissement et de la coupure de l'impulsion utile de gradient. Mais la mise en oeuvre de cette technique ne peut être qu'expérimentale . Et la complexité du phénomène mis en jeu rend laborieuse la recherche d'une solution dont on ne sait d'ailleurs jamais si c'est la meilleure qu'on peut obtenir .
Plus près de nous, dans le rapport annuel de juillet 1985 à juin 1986 du Francis Bitter National Magnet Laboratory du Massachusetts Institute Of Technology, pages 50 à
51, il est proposé de réaliser des bobines de gradient sous une forme double comprenant, pour chaque bobine de gradient, une bobine intérieure (contenant elle-même l'espace d'examen) entourée par une bobine extérieure de telle façon que la "superposition des deux champs résultant soit un champ d'amplitude nulle à l'extérieur des bobines extérieures" . Et il est même déduit, puisqu'au moment de l'application des impulsions de gradient aucun changement du champ dans la région extérieure à ce jeu de bobines de gradient ne se produit, qu'"aucun courant de Foucault n'est produit" . Ceci est faux. Même si le champ pouvait être maintenu nul dans tout l'espace extérieur au jeu des deux bobines , ce qui comme on le verra plus loin est impossible , on ne peut pas en déduire que l'écran, qui se trouve effectivement lui à l'extérieur de ce jeu, ne sera pas le siège de courants de Foucault gênant. En effet, dans un exemple simple, quand une spire est formée, ce n'est pas parce qu'au droit du conducteur de la spire aucun champ magnétique n'existe , que le champ magnétique qui passe à l'intérieur de cette spire est lui-même nul. Et donc la variation de ce champ magnétique intérieur induit un courant dans la spire . En l'occurence ici, le champ magnétique de gradient créé à l'intérieur de la zone d'examen n'est bien entendu pas nul puisque c'est justement lui qu'on cherche à créer . En conséquence à l'intérieur de l'écran il y a, au moment de l'application des impulsions de gradient, la naissance d'un champ magnétique supplémentaire . Par conséquent tout l'écran qui entoure cette région d'examen où le champ a été créé est fatalement le siège de courants de Foucault de réaction, même si le champ, par l'artifice d'une bobine de gradient supplémentaire, a été annulé à l'endroit de cet écran .
La présente invention a néanmoins pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant une solution qui ne fait pas appel à la technique du supplément de courant au moment de l'attaque de l'impulsion du gradient, qui est une solution définitive liée uniquement à la structure des bobines de gradient elles-mêmes , et qui est donc indépendante de tel ou tel type d'impulsion de gradient particulière . Dans l'invention on montre qu'à l'endroit de l'écran ce n'est pas un champ magnétique nul qu'il faut obtenir mais plutôt un potentiel vecteur magnétique nul.
L'invention concerne donc un système de bobines de gradient dites compensées pour machine de R M N, pour éliminer les effets de courants de Foucault en des lieux priviliégiés de la machine, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour que le potentiel vecteur magnétique attaché à ces bobines de gradient soit minimisé dans ces lieux privilégiés . Dans la pratique les lieux priviliés pourront être l'écran , ou toute autre partie de l'espace d'une machine R M N, où des courants de Foucault néfastes pourraient se développer au moment de l'application des impulsions du gradient . En particulier avec des machines de R M N à aimants permanents, les structures métalliques de maintien des pièces ferromagnétiques ainsi que ces pièces elles-mêmes si elles sont conductrices pourraient constituer des lieux privilégiés où la naissance des courants de Foucault devrait être combattue.
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, un système de bobines de gradient conforme à l'invention ;
- figures 2a et 2b un exemple particulier de réalisation de bobines de gradient compensées de type Z ;
- figures 3a et 3b : un exemple particulier de réalisation de bobines de gradient compensées de type X ou Y.
La figure 1 représente un système de bobines de gradient conforme à l'invention. Une machine de R M N y comporte essentiellement un aimant 1 pour produire un champ homogène continu et intense Bo à l'intérieur d'une zone 2 d'examen. La machine comporte, en plus, des dispositifs d'excitation électromagnétique et d'imagerie non représentés . La machine comporte un système de bobines de gradient comportant un premier mandrin 3 de gradient, dit intérieur, au contact direct de la région 2 et un deuxième mandrin de gradient 4 extérieur au mandrin 3. Les mandrins de gradient sont des mandrins qui portent les bobines de gradient. En un lieu privilégié, constitué dans l'exemple par l'emplacement d'un écran 5, les champs magnétiques rapportés par les mandrins de gradient 3 et 4, quand ils sont alimentés par des impulsions électriques , sont tels que le potentiel vecteur magnétique y est minimisé et y est même autant que possible nul.
Lorsque les impulsions de gradient sont appliquées sur les conducteurs des bobines de gradient montés sur les mandrins de gradient 3 et 4, un champ électrique induit E est produit dans tout l'espace . La formulation mathématique de ce champ peut être donnée de la manière suivante : Ceci peut encore s'écrire où est le champ électrique induit, le champ magnétique inducteur, et le potentiel vecteur magnétique tel que :
Dans l'invention on s'est rendu compte, à l'échelle des temps à laquelle on travaille , que les phénomènes de propagation n'étaient pas à prendre en compte . En effet les temps de montée et les temps de coupure des impulsions de gradients champs sont typiquement de l'ordre de 0, 1 à 1 milliseconde . Pendant cette dtirée , à la vitesse de propagation de la lumière, on peut considérer qu'en tout lieu de l'espace de la machine de R M N (de l'ordre de 3 oυ 4 mètres au maximum) le potentiel vecteur peut s'écrire ( Cette formulation montre que les variables espace et temps sont dans ce cas séparables . Comme on cherche à annuler
E dans un certain nombre de lieux privilégiés de l'espace , ceci revient à annuler l'expression suivante :
Comme il est impossible d'annuler la dérivée g' (t) puisque g (t) représente justement la variation puisée désirée du gradient, il ne reste qu'à annuler, pour toutes valeurs de x y z appartenant au lieu privilégié , la valeur de U . En annulant ainsi le potentiel vecteur sur l'écran , où tout au moins en le minimisant, on y limite la naissance des courants de Foucault perturbateurs puisque le champ électrique y induit serait minimisé . Comme l'écran où les enveloppes conductrices s'ont en général d'épaisseur petite par rapport à leur dimension, il suffit d'annuler la composante du potentiel vecteur dans le plan tangent en chaque point de l'écran ou de l'envebppe . Autrement dit dans l'invention on a su montrer qu'il suffit d'annuler la composante tangentielle du potentiel vecteur statique, sans avoir recours à des moyens dépendant du temps tels que mis en oeuvre dans la technique d'overshoot ou la technique d'overcoming. Dans une réalisation particulière, les mandrins de gradient seront du type décrit dans la demande de brevet français précitée. Chaque mandrin comporte des bobines de gradient pour produire des gradients de champ orienté selon les axes X, Y, et Z. Dans cette demande de brevet, on avait indiqué comment calculer des bobines de gradient homogènes à un ordre d'homogénéité donné si on se laissait comme latitude d'agir sur les épaisseurs, le nombre, et les positions des brins conducteurs utiles des bobines de gradient à créer . Pour les gradients de type Z les brins utiles ont la forme de cercles ; pour les gradients de type X, ou Y, ces brins utiles sont constitués par des portions d'arcs de cercle d'ouverture angulaire donnée. On sait calculer le champ et le potentiel vecteur magnétiques créés par chacune de ces bobines de gradient. Connaissant le potentiel vecteur magnétique créé par ces bobines de gradient on peut calculer le champ électrique induit par la variation du champ magnétique aux endroits privilégiés, par exemple là où est destiné à se trouver l'écran 5. En adjoignant une autre bobine de gradient d'un type donné placée sur un mandrin extérieur et correspondant à chaque fois à une bobine de gradient d'un même type donné (X, Y, Z) placé sur le mandrin intérieur, on peut calculer également le champ électrique produit dans les mêmes conditions . En particulier on alimente les bobines par un même courant en prévoyant de mettre les bobines de gradient des deux mandrins en série au moins au moment de l'application des impulsions de gradient. En imposant un rayon intérieur r i et un rayon extérieur r e pour les mandrins respectivement 3 et 4 on peut déterminer, par les méthodes classiques de l'électromagnétisme , en faisant varier le nombre et la position des conducteurs utiles dans chacune des bobines de gradient, pour quelle distribution optimale de ces conducteurs la composante tangentielle du potentiel vecteur A est ainsi annulée ou au moins minimisée .
Les figures 2a et 2b ainsi que 3a et 3b donnent des exemples de réalisation de bobines de gradient de type Z et X ou Y respectivement présentant, avec les valeurs attribuées par les tableaux 1 et 2, les avantages précités . Les figures 2a et 3a sont des figures de bobines de gradient déployées après ouverture longitudinale du mandrin qui les porte . Les figures 2b et 3b sont des coupes diamétrales partielles des mandrins . Les bobines de gradient Z de la figure 2a ont normalement une allure de virole ; les bobines de gradient X ou Y de la figure 3a ont normalement des allures de bobines en selle de cheval. Une description de la construction de ces bobines , de leur association sur un mandrin, et de leur alimentation électrique est décrite dans la demande de brevet précitée . Dans un exemple particulier de réalisation les bobines de gradient Z présentent les caractéristiques données dans le tableau 1 suivant :
Toutes les cotes sont données en mètre . Sur ces figures et dans ce tableau 1 , r désigne le rayon intérieur d'un mandrin qui mécaniquement supporterait les bobines de gradient à construire ; e représente l'épaisseur mesurée radialement à la zone d'examen 2 des conducteurs utilisés , n. est le nombre de viroles sur le mandrin intérieur 3 d'un paquet de viroles accolées les plus proches de la partie centrale O de la région 2 ; n2 est le nombre de viroles, sur le mandrin intérieur 3, d'un paquet de viroles accolées situées en arrière de la région centrale O ; et n3 représente un nombre de viroles d'un paquet situées sur le mandrin extérieur 4. On s'est rendu compte, que, de préférence, n3 devait être un nombre intermédiaire entre n1 et n2. Les grandeurs d, et d' indiquent les largeurs, mesurées longitudinalement, des conducteurs des viroles . De préférence d' est plus grand et vaut sensiblement le double de d. Les grandeurs d1 , d2, et d3 sont les abscisses mesurées selon l'axe Z des premières viroles respectivement de chacun des paquets de n1 , n2 et n3 viroles . De la même façon on s'est rendu compte dans l'invention que la meilleure solution était obtenue pour d3 intermédiaire entre d1 et d2.
En ce qui concerne les gradients de type X ou Y, les valeurs des conducteurs en selle de cheval des bobines de ces gradients sont données par le tableau 2 suivant :
On s'est rendu compte que pour les gradients X ou Y une meilleure compensation est obtenue avec un nombre n2 de conducteurs utiles dans le madrin extérieur inférieur au nombre n1 de conducteurs utile dans le mandrin intérieur. Et même mieux, on choisit une largeur de conduction d' supérieure, par exemple double dans le mandrin extérieur, à la largeur de conduction d dans le mandrin intérieur .
Il est intéressant de noter qu'avec la structure ainsi présentée on a été capable d'obtenir des temps d'établissement et de coupure de l'ordre 0, 1 m/s (ou lieu de 1 m/s) avec une erreur de la valeur du gradient obtenu de l'ordre de 1%, ou encore une erreur de l'ordre de 0, 05 % si le temps de montée est maintenu à une milliseconde, alors qu'il était de l'ordre de 40% dans l'état de la technique citée et qu'un overshoot important de 40 % également ne permet pas de rétablir correctement la situation dans la totalité du volume d'intérêt.
En outre d'une manière préférée on écarte au maximum les deux mandrins l'un de l'autre et on utilise la place vacante entre eux pour y placer un mandrin 10 de bobines de correction homogénéité du champ principal Bo (fig. 1)

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de bobines (3 , 4) de gradient dites compensées pour une machine de R M N, pour éliminer les effets de courants de Foucault en des lieux privilégiés de la machine, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour que le potentiel vecteur (A) magnétique de ces gradients ou une de ses composantes soit minimisé dans ces lieux (5) privilégiés .
2. Système selon la revendication 1 caractérisé en ce que les lieux privilégiés sont des lieux où est placé un écran d'amortissement des effets d'écroulement du champ magnétique (Bo) de Ia machine de R M N ou une enveloppe d'un dispositif cryogénique .
3. Système selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que les moyens pour minimiser comportent deux nappes (3, 4) de bobines de gradient.
4. Système selon la revendication 3 caractérisé en ce que les nappes sont réalisées sur deux mandrins de gradient de rayons différents.
5. Système selon la revendication 3 ou la revendication 4 caractérisé en ce que les deux nappes sont espacées d'une manière suffisante l'une de l'autre pour placer entre elles des bobines (10) de correction du champ magnétique principal de la machine .
6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequelles des bobines de gradient comportent, sur chaque mandrin des paquets de conducteurs dits utiles caractérisé en ce qu'un nombre de conducteurs utiles dans un paquet de conducteurs du mandrin extérieur est intermédiaire entre des nombres de conducteurs utiles de paquets de conducteurs placés sur le mandrin intérieur.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel des conducteurs de bobines d'un type de gradient donné , placés sur un mandrin de gradient intérieur, présentent des sections de conduction inférieures aux sections de conduction des conducteurs de bobines de gradient du même type et situées sur un mandrin extérieur.
8. Sytème selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que les bobines de gradient d'un même type situées sur deux nappes différentes sont alimentées en série.
9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 comportant des bobines de gradient de type Z réparties sur chacun des mandrins de gradient intérieur et extérieur en des paquets de conducteurs caractérisé en ce que les abscisses mesurées selon l'axe Z des premiers conducteurs des paquets de conducteurs des bobines de gradient placées sur le mandrin intérieur sont respectivement plus petites et plus grandes que l'abscisse du premier conducteur d'un paquet de conducteurs placé sur le mandrin extérieur.
10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il comporte des bobines satisfaisant aux caractéristiques suivantes :
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