CHAPITRE I
ETAT DE L'ART SUR LES ANTENNES RF
POUR IRM
3
Les antennes RF encore appelées bobines RF sont de nos
jours un outil très important dans un système IRM; dans la
littérature de nombreux travaux sur des antennes en IRM ont
été effectué allant des chronologies anciennes aux
nouvelles techniques. Les premières publications qui en font état
sur les antennes IRM datent de la fin des années 80; depuis l'abondante
littérature médicale, les conférences, le nombre important
de revues générales, certains auteurs démontrent la
maturité d'une discipline dont les avancées significatives au
cour de la dernière décennie ont concerné un grand nombre
de domaines d'applications. L'utilisation des systèmes plus simples
permettant de modéliser et concevoir des antennes RF. L'objectif de ce
chapitre est de présenter exhaustivement les travaux actuels
menés par les chercheurs et les industriels dans la problématique
liée aux antennes.
En 1985, Hayes et al.[1] ont décrit
pour la première fois l'utilisation des bobines de cage d'oiseaux
(bobine volumique) comme étant des bobines émettrices et
réceptrices dans les systèmes IRM à champ faible et
élevé. Ces bobines sont populaires en raison de leur
capacité à générer un champ magnétique RF
très homogène avec un RSB élevé. Leur
méthode de conception est basée sur une ligne de retard à
élément localisé; cette méthode présente
beaucoup d'avantage et l'utilisation de ces bobines montre que les
résultats attendus ont été obtenus : l'augmentation quasi
linéaire du RSB en fonction de la fréquence à 64 MHz
correspondant au champ magnétique statique Bo de 1.5 T, c'est A cette
même fréquence qu'ils dimensionnent et construisent leurs bobines.
Les bobines cage d'oiseaux sont des résonateurs
caractérisés par plus d'un mode de résonance; en fait, une
bobine de N jambes fournit 1+N/2 modes de résonance distincte même
si le mode de travail utilisé en IRM est généralement
celui qui garantit la meilleure homogénéité du champ
magnétique. La méthode utilisée est une méthode
itérative utilisant le complexe d'onde et est basée non pas sur
les champs électriques et magnétiques comme d'autres
méthodes numériques telles que MoM, EFIE ou MFIE. Leur domaine
d'étude est totalement différent du nôtre; Nous nous sommes
attardés sur l'étude du champ magnétique RF crée
par l'antenne RF.
En 1988, H. Tsuboi et al. [2]
déterminent la taille et la structure géométrique d'une
antenne radiofréquence qui est utilisée à la fois comme
émetteur et récepteur et exige qu'il
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y ait un facteur de qualité (Q) élevé, un
grand gain et un champ magnétique uniforme élevé pour une
bonne résolution de l'image. Ils ont utilisé la méthode
des moments pour calculer le champ magnétique propre à l'antenne
et la distribution du courant sur l'an-tenne; ils ont ensuite utilisé
des méthodes analytiques [3] pour optimiser la géométrie
de l'antenne. Ils comparent les résultats de calcul (par méthode
des moments) et les résultats expérimentaux (utilisant le model
d'antenne dipolaire). Les résultats de calculs utilisant presque 63
segments sont en accord avec les résultats expérimentaux; la
fréquence de résonance par calcul est de 22 MHz, ce qui est
largement inférieure à la fréquence de résonance
théorique de 50 MHz. Ceci est dû à l'influence des facteurs
externes. Les résultats attendus ont été obtenus et il est
vérifié que la méthode des moments est praticable pour la
conception d'antenne RF en IRM. Par rapport à leur fréquence de
travail (expérimental et théorique), nous nous sommes
basés sur l'étude du champ magnétique par Biot-Savart
à la fréquence de 64 MHz qui est la plus adapté aux IRM
actuels à des champs faibles. Et contrairement à eux qui
appliquent la MoM sur les équations de Maxwell pour le calcul du champ
électromagnétique, MoM est plus adapté aux antennes de
formes plus complexes.
En 1990, M. Fujita et al. [4] emploient
également la méthode des moments pour analyser le champ
électromagnétique de l'antenne, également pour calculer la
distribution du courant; ils développent un programme efficace pour
analyser la distribution d'une antenne de forme compliquée, ils
examinent les dimensions adaptatives d'une antenne RF multi-tour pour obtenir
un champ EM uniforme; ils développent aussi un algorithme pour concevoir
l'antenne adaptative pour IRM. Il est plus commode de déterminer les
dimensions de l'antenne et les configurations adaptatives de celle-ci, que
d'évaluer sa qualité avec la valeur macroscopique Q (facteur de
qualité); les dimensions adaptatives de cette antenne RF multi-tour sont
calculées pour émettre un champ électromagnétique
sur l'uniformité de l'espace d'imagerie en supposant en supposant qu'un
courant continu circule sur l'antenne. Les résultats de calculs des
admittances d'entrées par la méthode des moments sont en accord
avec les résultats expérimentaux lors des comparaisons; les
angles adaptatifs ont été recalculés et par rapport aux
anciens, il y a une différence de 0,3 degré et il est donc
possible de déterminer la configuration adaptative d'une antenne RF.
Cette technique bien que meilleure, a été réalisée
avec des logiciels de simulations très ancien et aujourd'hui on assiste
à des logiciels plus évolués dites modernes. La MoM est
détaillée à la fin du chapitre suivant.
En 1994, Li et al. [5] ont utilisé la
méthode des éléments finis (FEM) bidimensionnel pour
calculer des solutions pour le champ B1 de certaines bobines
représentatives (cage à oiseaux, bobine de selle, bobine à
éléments multiples, bobine à plaque radiale). Les
résultats de leurs travaux décrivent le domaine B1 plus
réaliste que les solutions analytiques ordinaires, en tenant compte des
courants de Foucault. L'une des premières oeuvres exploitant une FEM 3D
a été développée par Guclu et ses
collègues (1997) [6], le champ magnétique est
déterminé par le courant total; les courants de foucaults
étant proportionnels
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à la dérivée temporelle du champ
magnétique, il est très difficile de calculer
simultanément la distribution du champ et du courant dans les
conducteurs au moyen des approches analytiques. D'où l'idée
d'utiliser la méthode numérique FEM qui a beaucoup d'avantage
dans leur utilité. Ils ont caractérisé le champ
généré par une bobine de cage à oiseaux dans
l'échantillon de tissu dans une bobine à 64 et 223 MHz (cette
fréquence correspond à un champ non conventionnel de 5,25 T). Ils
comparent les résultats de la simulation avec les solutions analytiques
sous-tendant les avantages de la modélisation. Ils montrent comment la
modélisation 3D FEM peut être utilisée pour étudier
les problèmes techniques qui affectent la qualité de l'image; par
exemple, une cartographie précise des champs peut être utile dans
le développement de nouvelles séquences d'impulsions pour
minimiser les perturbations du terrain. Ils utilisent donc la FEM pour des
conceptions plus complexes. Avec ces méthodes, on connait beaucoup de
cas d'inhomogénéité de champ magnétique; nous
choisissons travailler avec l'équation de Biot-savart parce que en terme
de conception d'antenne elle est très simple et la mieux adapté
pour générer un champ uniforme. La FEM est également
explicité plus bas.
En 2001, Ibrahim et al. [7] décrivent
l'analyse de la performance d'une bobine de cage à oiseaux à
basse et haute fréquence. Ils ont utilisé la méthode FDTD
pour modéliser une bobine de cage à oiseaux avec tous les
composants, y compris les fils, les condensateurs localisés et la
source. La bobine cage d'oiseaux a été chargé avec un
modèle de tête humaine et l'homogénéité du
champ magnétique, ainsi que le taux d'absorption spécifique, ont
été calculés à deux fréquences
différentes (1,5 et 4,7 T). Les résultats pour la distribution du
taux d'absorption spécifique SAR sont présentés. Le
modèle des épaules donne des résultats plus précis
dans le réglage des bobines et le calcul du SAR. Les résultats
numériques sont présentés pour montrer
l'homogénéité du champ magnétique et du SAR dans le
modèle de tête humaine à l'intérieur de la bobine
cage d'oiseaux sous excitation en quadrature à 64 MHz et 200 MHz. Un
code informatique pour générer ces résultats a
été validé (Ibrahim et al, 2000 b) contre
des mesures prises avec un système IRM GE Signa 1,5T. Nous utilisons
Gauss-Legendre pour intégrer numériquement le champ de
l'équation de Biot-Savart. Ces méthodes numériques seront
détaillées dans le chapitre suivant.
En 2002, G. Giovannetti et al. [8]
décrivent un programme capable d'évaluer toutes les
fréquences de résonances des bobines et de tracer les diagrammes
de distribution du champ magnétique sous forme de contour, de
représentation 3D et de coupe axiale. Ils utilisent la méthode
des circuits équivalents pour faire une analyse magnétostatique
de la bobine. Et ils développent un logiciel pour simuler des bobines
cage d'oiseaux à l'aide de l'environnement IDL (Interactive Data
Language). Ce logiciel prend en compte les inductances mutuelles entre tous les
conducteurs. Ils ont également testé le simulateur à
l'aide des données décrites dans la littérature [9] pour
une bobine de cage d'oiseaux passe-haut, accordé à une
fréquence beaucoup plus grande que le prototype passe-bas
développé; les comparaisons faites, indiquent un écart
inférieur à 4,500 (alors que l'autre simulateur donne
une erreur
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de 8,800 ) Il a été
démontré que le simulateur proposé était capable
d'obtenir un spectre de fréquence de résonance complet et les
modèles de champ magnétique avec une grande précision et
un temps très bref. Pour la même bobine, la fréquence de
résonance du mode dominant obtenu à l'aide des deux simulateurs
disponibles dans la littérature est 9.291 MHz et 7.730 MHz, avec une
précision de 15 et 4,300 respectivement; une mesure de
l'uniformité du champ a été effectuée pour le mode
d'onde sinusoïdale dans le centre plan transversal perpendiculaire
à l'axe de la bobine cage d'oiseaux, obtenant une valeur satisfaisante
de 7200 . Le logiciel développé permet a priori la
connaissance de la configuration du champ magnétique à
l'intérieur de la bobine, vérifiant ainsi le degré
d'homogénéité. Dans cet article la modélisation
avec cette méthode nécessite la présence de sources
virtuelles d'admittance ou l'opérateur d'impédance et de sources
d'excitation.
En 2004, G. Giovannetti et Al. [10]
conçoivent et construisent 4 prototypes de bobine basse fréquence
pour montrer comment le choix de la géométrie croisée du
conducteur et de la qualité du condensateur affectent la performance de
la bobine. Il est a noté qu'un fil conducteur est difficile à
gérer lors de la construction de bobine et cela nécessite une
bonne compétence des mécanismes. Lors de l'utilisation d'un
conducteur à bande pour une conception de bobine RF, l'épaisseur
de la bande doit être au moins 6 fois celle de la profondeur de peau
à la fréquence utilisée afin de maximiser la surface
où le courant circule et de minimiser les résistances du
conducteur. Les résultats de la littérature soulignent le mieux
les performances d'une bobine constituée d'un fil conducteur, ce qui est
imputable à une meilleure répartition des courants à
l'intérieur, par rapport à un conducteur à ruban, comme
prédit théoriquement. Les résultats ont montré
l'importance d'utiliser des condensateurs de haute qualité et des
conducteurs de tige cylindriques au lieu des bandes ceux pour réaliser
des bobines de cage d'oiseaux efficaces. Les résultats obtenus semblent
être très prometteur, compte tenu du fait que les performances des
bobines cage d'oiseaux peuvent être améliorées avec une
meilleure optimisation électronique.
En 2004, Rogovich et al. [11] ont
utilisé une technique de MoM pour concevoir une bobine de cage d'oiseaux
à 8 pattes, passe-bas et une bobine en cage d'oiseaux à 16
pattes, passe-haut. Dans ce travaille le simulateur a été
utilisé pour déterminer les caractéristiques principales
des bobines, telles que le mode de résonance, le facteur Q et
l'homogénéité du champ magnétique. Les
résultats pertinents pour une bobine de cage à oiseaux à 8
jambes, passe bas sont montrés et proposés dans [12]. Les
résultats des simulations ont été comparés par
rapport aux mesures établies pour démontrer l'utilité des
méthodes numériques dans la conception de la bobine. En
considérant le cas d'une bobine de cage à oiseaux à 16
pattes proposée dans [13], les résultats confirment la
précision de la technique et le mode de résonance de Helmholtz
est correctement prédit, alors que les modèles de circuits
localisés proposés n'ont pas été en mesure de le
prédire. Les techniques de MoM sont également utilisées
dans la littérature afin d'analyser et d'optimiser les bobines
superficielles telles que les bobines à 2 canaux, une bobine en forme de
8 et une bobine à papillon; Lemdiasov (2005)
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et al. [14] ont utilisé une
formulation en MoM pour calculer la matrice de paramètres S pour une
Bobine superficielle à 2 canaux sans composants localisés
(réglage et adaptation des condensateurs). Puis ils calculent la matrice
S élargie, en tenant également compte des éléments
localisés, et extrait de certains paramètres de performance de la
bobine, par exemple, le facteur de qualité, facteur de remplissage et le
SNR. Kumar et Bottomley (2008) [15] ont également
utilisé MoM pour calculer l'amplitude des composants polarisés
circulairement de la gauche du champ magnétique RF transverse produit
par 2 bobines superficielles, une bobine en forme de 8, et une bobine à
papillon. Cette information a ensuite été utilisée pour
optimiser le SNR des bobines. Pour alléger les calculs fastidieux dans
les problèmes de bobines RF chargées, certains travaux
récents proposés utilisant des techniques hybrides connues sous
le nom de MoM / FDTD ou MoM / FEM. Dans ces approches, MoM est utilisé
avec FEM ou FDTD pour exploiter sa force pour modéliser une bobine RF et
FDTD ou FEM pour calculer le champ à l'intérieur d'un objet
diélectrique compliqué. Par exemple, Li et al.(2006)
[16] ont fourni un bref aperçu des méthodes
numériques pour la conception de bobines RF et ont discuté de
l'hybridation de ces méthodes. Une méthode hybride MoM / FEM a
été utilisée pour des exemples de modélisation de
bobines RF (2 bobines superficielles et une bobine de tête à 4
éléments). Les résultats simulés et
expérimentaux ont été comparés pour
démontrer la précision de la méthode hybride. FEKO, est un
logiciel commercial basé sur MoM, qui implémente également
un algorithme hybride MoM / FEM. Ces articles présentent l'hybridation
des méthodes numériques de calcul du champ
électromagnétique; et sont simulées avec différents
logiciels.
En 2007, D. Doty et al. [17]
présentent une approche d'optimisation et d'utilisation des bobines
radiofréquences RF pour l'IRM de petits animaux en faisant une analyse
du rapport signal sur bruit (S/N) et les discussions sur les différentes
bobines communément utilisé en IRM de petits animaux telles que :
bobine de surface, bobine à volume linéaire et à cage
d'oiseaux; ils se limitent sur des bobines milieu de gamme où le produit
(f*d) de la fréquence f et du diamètre de la bobine d est dans la
plage 2-30 MHz.m; gamme à laquelle toutes les sources de pertes (bobine,
condensateur, échantillon, blindage, ligne de transmission) sont
importantes. L'optimisation des bobines RF se fait en deux étapes
principales : - le logiciel pleine onde avec des algorithmes efficaces pour
gérer les pertes de surfaces des conducteurs est utilisé pour la
minimisation de l'intégral de E/B1 pour la bobine de
l'échantillon; - les simulateurs de circuits linéaires connus
tels que : Spice, Ansoft designer ou Genesys sont utilisés pour
maximiser l'efficacité de la puissance fournie à la bobine RF du
point de vue de la transmission même si la bobine sert uniquement
à concevoir. La plupart des logiciels de validations 3D sur des bobines
IRM n'ont pas confirmé l'exactitude du logiciel pour bobines complexes
de milieu de gamme où tous les types de pertes sont importants. Certains
travaux assez détaillés des évaluations de trois
progiciels de pointe « électromagnétisme 3D à onde
pleine» ont été effectués dans les années 2002
et ont conclu pour la plupart que, des problèmes de bobine de RMN et IRM
de milieu de gamme, Micro-ondes (MWS) par des technologies de simulations
informatique (CST) était
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mieux adapté et plus précis que les autres
logiciels qui ont été évalués (HFSS par Ansoft et
XFDTD par REMCOM). D'autres ont plus récemment montré qu'Ansoft
HFSS donne également des résultats précis pour certains
aspects des problèmes de petites bobines. Les fréquences de mode
sont généralement calculées à moins de
200 des valeurs expérimentales (même pour les bobines
à double résonance) et la magnitude B1 calculé est souvent
inférieure à 500 avec l'expérience de l'IRM.
avec l'expérience de l'IRM. Alors que la magnitude B1 peut parfois aller
jusqu'à 2500 , l'intégrale E/B1 est probablement
précis de quelque pourcent. Les résultats montrent qu'il y a
souvent plus à gagner de l'espacement accru par rapport à
l'échantillon segmentation capacitive accrue. Les Simulations de champ
en pleine onde et circuit linéaire sont susceptibles de jouer un
rôle de plus en plus important dans les avancées futures dans la
technologie des bobines RF.
En 2008, Solis et al.[18] ont
récemment décrit la conception d'une bobine de cage à
oiseaux pour l'IRM du genou humain à haut champ. Des simulations de
champ magnétiques B1 utilisant la méthode des
éléments finis (FEM) ont été effectuées
à différentes fréquences de résonance et en faisant
varier le nombre de pattes. Un design optimal à 4 T a
résulté en une bobine cage à oiseaux à quatre
pattes pour l'émetteur-récepteur. Les résultats
numériques ont ensuite été comparés aux
résultats expérimentaux, montrant une bonne correspondance. La
FEM peut également être utilisé pour concevoir et optimiser
les bobines de réceptions multiéléments. Vojtisek
et al.(2009) [19] ont traité les données extraites des
simulations et calculé des paramètres importants, tels que la
géométrie, le facteur de qualité, la sensibilité.
Les codes informatiques les plus utilisés sur la FEM sont HFSS de
ANSYS62 et Multi physics. Naturellement, l'accord et le découplage
corrects des bobines sont inévitables pour obtenir les meilleurs
résultats.
En 2009, Mikhail Kozlov et al. [20]
présentent une approche de l'utilisation du lien bidirectionnel
indépendamment du fournisseur et permettant l'utilisation d'un seul
outil RF avec plusieurs différents outils EM 3-D, réalisant une
flexibilité souhaitable du flux d'ana-lyse de bobines tout en
réduisant le coût des licences de l'outil de simulation. Ils
ajustent les paramètres de l'alimentation réseaux utilisant des
outils de circuit RF, suivis d'un nouveau calcul (basé sur les
données de simulation de circuit RF) du champ lointain à l'aide
d'outils EM 3D. La conception de la bobine RF 3D en IRM implique une simulation
en champ proche, et les réseaux de bobines d'alimentations et des
réglages sont souvent des circuits indépendants. Un diagramme de
flux de travail de cette approche est proposé. La procédure de
combinaison des résultats consiste en une superposition linéaire
de E et B pondéré par les ports P et
u fourni pour chacun des Ports. Cette procédure peut être
exécutée en dehors de l'environnement d'outils EM à l'aide
d'un logiciel externe tel que Matlab. Le calcul EM 3D nécessite beaucoup
de temps, en particulier quand une résolution spatiale
élevée est requise, alors que le circuit simulation est assez
rapide, car l'analyse de circuit RF nécessite beaucoup moins de
ressources informatiques que n'importe quelle approche de simulation EM 3-D qui
doit traiter avec un corps humain réaliste précisément un
modèle spécifié. Le
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9
temps de calcul pour la procédure de résultat
combiné dépend linéairement du nombre
d'éléments de maillage et de ports, et ne prend pas beaucoup de
temps. Dans les études numériques, ADS a été
utilisé comme circuit RF; CST Microwave Studio et HFSS ont
été utilisés en tant qu'outils d'EM tridimensionnels et
Matlab a été utilisé en post-traitement. Cette approche a
été validée en effectuant un certain nombre de simulations
pour la bobine analysée où les réseaux d'alimentations et
de réglages n'ont pas été remplacés par des ports.
Les résultats de ces simulations pour les valeurs optimisées
d'alimentations et de réglages du condensateur étaient exactement
les mêmes que pour les simulations de substitution de port
correspondante. La différence maximale entre les données B1 et le
SAR 3D entre ces deux les simulations étaient inférieures
à 0,500 .
En 2010, G.Shou et al. [21] proposent une
approche permettant l'étude numérique des bobines RF
conventionnelle à gradient en utilisant un schéma de conception
avec une régularisation pratique des contraintes. Les méthodes
basées sur les algorithmes numériques avancés tels que la
méthode des éléments limites (BEM) et la méthode
des éléments finis (FEM) sont décrites dans ce travail.
Cependant, la conception de bobines de gradient à base de BEM se heurte
à un problème mathématique mal posé, traité
de manière classique au moyen d'une méthode de multiplication de
Lagrange. Ce travail tente d'améliorer la méthode BEM pour la
conception de bobines IRM en appliquant la méthode de Tikhonov. Les
exemples démontrent que la méthode proposée est efficace
et flexible pour la conception de bobines IRM avec des géométries
et des contraintes d'ingénieries arbitraires. Cette méthode
évite un calcul itératif de sorte que le coût de calcul
soit beaucoup moins que les techniques d'optimisation stochastique. En raison
de la relation directe des valeurs actuelles sur les noeuds limites et les
contraintes physiques spatiales des bobines peuvent être directement
introduites dans la formulation BEM, simplifiant ainsi la procédure de
conception. L'algo-rithme BEM a été codé en langage C et
la fonction d'interface a été utilisée pour interfacer
l'optimisation / régularisation de Tikhonov effectuée à
Matlab. Le maillage BE dans cette étude était
généré pour les noeuds couche par couche et codé
dans Matlab, et le les chemins de câbles discrets sont exportés
à l'aide de Tecplot.
En 2011, Ye. LI et al. [22] présentent
une approche de développement d'une nouvelle méthode basée
sur la compensation ou l'élimination du courant induit (ICE) pour le
découplage amélioré des éléments de la
bobine et l'étude de ses performances dans les images IRM
fantômes. Une méthode de découplage
électromagnétique basée sur la compensation ou
l'élimination du courant induit pour les réseaux de bobines RF
sans chevauchement a été développée avec les
critères de conception de haute efficacité, mise en oeuvre facile
et pas de connexion physique aux éléments du tableau RF. Une
méthode d'analyse des valeurs propres / vecteurs propres est
appliquée pour analyser le mécanisme de découplage et
calculer les conditions de découplage. Un réseau de micro-rubans
à deux canaux et un réseau de bobines à huit canaux ont
été construits pour tester les performances de la méthode.
Après les essais sur banc d'essai, des expériences d'imagerie IRM
ont été réalisées sur un scanner IRM 7T. Les essais
au banc ont montré que les deux matrices obtenaient un
découplage
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10
suffisant avec un S21 inférieur
à 25 dB parmi les éléments de bobine à 298 MHz. Les
images fantômes IRM ont montré des distributions de
sensibilité bien définies pour chaque élément de la
bobine et la capacité de découplage unique du modèle ICE
proposé des techniques de découplages. Les distributions de champ
B1 des différents éléments ont également
été mesurées et calculées. L'analyse
théorique et les expériences ont démontré la
faisabilité de la méthode de découplage pour des
conceptions de réseaux de bobines RF à champ élevé
sans chevauchement ni connexions physiques directes entre les
éléments de bobines, ce qui offre davantage la flexibilité
pour la conception et l'optimisation de réseaux de bobines. La
méthode offre une nouvelle approche pour résoudre le
problème du découplage des réseaux de bobines RF, qui
constitue un défi majeur pour la mise en oeuvre de l'imagerie
parallèle. En 2011, Lingzhi et al, [23] proposent et
testent une stratégie universelle pour la construction de bobine RF
bi-fréquence 19F/ 1H permettant la
géométrie de bobines multiples. Ils étudient la
faisabilité de concevoir une bobine RF bi-fréquence 19F/
1H basée sur un modèle de résonateur
couplé; Un réseau d'appariement capacitif en série permet
une adaptation d'impédance robuste pour les deux harmoniques modes
oscillants du résonateur couplé; où deux conceptions
typiques de bobines de volume 19F/ 1H (cage à
oiseaux et selle) à 4,7T ont été mises en oeuvre et
évaluées avec un test électrique au banc et une imagerie
in vivo à double noyau 19F/ 1H.
Pour différentes combinaisons de résistances internes de la
bobine d'échantillonnage et du résonateur secondaire, des
solutions numériques pour les condensateurs accordables afin d'optimiser
l'adaptation d'impédance ont été obtenues à l'aide
d'un programme de recherche de racine. Distribution du champ B1 identique et
homogène aux fréquences 19F/et 1H ont
été observées au banc d'essai et image fantôme.
Enfin, l'imagerie in vivo chez la souris a confirmé la
sensibilité et l'homogénéité de la conception de la
bobine bi-fréquence 19F/ 1H. Une
distribution de champ B1 identique et homogène aux fréquences
19F/ 1H a été observée dans le test au
banc et en image fantôme. L'imagerie in vivo sur la souris a
confirmé la sensibilité et l'homogénéité de
la conception de la bobine à double fréquence
19F/ 1H. Et une caractéristique
unique de cette conception est qu'elle préserve
l'homogénéité du champ B1 de la bobine RF aux deux
fréquences de résonance. Cela minimise ainsi l'effet de
susceptibilité sur le Co-enregistrement d'image.
En 2014, S-M. Sohn et al.
[24] proposent dans cette étude, un élément de
ligne de transmission à micro-ruban de forme trapézoïdale
double pour obtenir une distribution uniforme du champ B1 par variation
d'impédance. Deux bobines de tête RF à huit canaux ont
été construites avec la forme du conducteur : un
élément micro-ruban uniforme, et un élément
micro-ruban à double trapèze, où chaque
élément comprend un substrat en téflon à faibles
pertes avec une hauteur et une longueur de 1,9 et 16 cm, respectivement. Une
méthode utilisant des impédances échelonnées ou
alternées avec des sections conductrices épaisses et minces
répétitives, afin de réduire le champ magnétique
inhomogène RF; Celles-ci, cependant, créent des bosses dans le
champ proche magnétique RF. Les données de simulation
électromagnétiques (modales pilotées du type solution dans
HFSS) ont été utilisées pour évaluer et analyser la
forme trapézoïdale proposée en comparant les
résultats avec autres
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11
structures. Les résultats sont cohérents avec
ceux de simulations. Par rapport au résultat du conducteur de forme
uniforme, la forme du double trapézoïde a une distribution de champ
plus uniforme avec un signal plus élevé de profondeur de
pénétration. Les résultats de simulations et
expériences, la bobine de tête RF proposée compense la
détérioration du champ aux extrémités et
démontre amélioration de l'uniformité du champ proche
magnétique RF ainsi intensité. Par rapport au résultat de
la forme uniforme du conducteur, la forme du double trapézoïde a
une distribution de champ plus uniforme avec un signal plus élevé
de profondeur de pénétration. Les améliorations
calculées ont la fourchette de 70,'0 à
610,'0 et la moyenne de 29, 30,'0 .
En 2014, G. Giovannetti et al. [25], lors du
développement moderne des bobines de résonance magnétique,
stipulent que ces bobines lorsqu'elles sont émettrices doivent produire
un champ magnétique homogène dans un large champ de vision (FOV),
et lorsqu'elles sont réceptrices elles doivent maximiser la
détection du signal et minimiser le bruit. L'utilisation des
méthodes numériques pour ce développement permettent de
simuler le comportement de la bobine en présence de charges
réalistes et d'étudier le rendement de la bobine à des
champs magnétiques élevés. Et après toutes
constructions, pour des tests les bobines doivent être
caractérisées en laboratoire pour optimiser leur positionnement
et leurs performances en extrayant plusieurs indices de qualité. Et
ensuite les performances de ces bobines doivent être
évaluées dans un scanner utilisant des paramètres de
qualité d'image standardisés avec des expériences
fantômes et humaines. Dans cet article, hormis le principe des bobines
radiofréquences présenté, un bref aperçu des
développements futurs de la technologie de ces bobines RF a
été inclus. La valeur élevée de l'intensité
du champ magnétique statique utilisé dans les scanners modernes
IRM a entraîné l'utilisation de méthodes numériques.
En réalité, à B0 superieur 3 T, la haute valeur de la
fréquence de Larmor ne permet pas l'utilisation d'hypothèses
magnétostatiques parce que la longueur d'onde du champ est comparable
aux dimensions de la bobine. De plus, à ces fréquences,
l'échantillon interagit fortement avec le champ
généré et affecte les performances de la bobine.
L'utilisation de bobines RF supraconductrices pour réduire les pertes
résistives ont également été brièvement
examinés, et les solutions actuelles proposées pour
résoudre les problèmes de sécurité et techniques
ont été discutées. Ces auteurs utilisent une bobine
à boucle circulaire de 16.7mm de rayon, et 2 mm de rayon de fil
conducteur, ce qui correspond à la taille de l'étude d'un
fantôme en spectroscopie par résonance magnétique; Le rayon
de la boucle utilisé est extrêmement petit pour des études
cliniques. Nous nous sommes contentés de retrouver les résultats
de cet article tout en augmentant la taille de la boucle (20 cm
diamètre) et à 1.5 T qui est réglementée aux
études cliniques chez certains patients en IRM; nous avons donc
étudié le champ magnétique radiofréquence par
l'équation de Biot et savart; car elle est la méthode
appropriée pour des hypothèses de magnétostatiques
à des champs Bo inférieur à 3 T.
En 2016, G. Giovannetti et al. [26] examine
une méthode de développement du modèle SNR de bobine
utilisant un circuit électrique équivalent et l'applique à
la conception
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de boucles carrées et circulaires. Inductance de bobine
et la résistance ont été calculées de
manière analytique en tenant compte des conducteurs la
géométrie croisée et la configuration du champ
magnétique ont été estimées à l'aide de la
loi de Biot-Savart, tandis que la résistance induite par
l'échantillon a été calculée avec une
méthode utilisant une approche quasi statique. La prévision de
performance de bobine a permis de comparer les boucles circulaires et boucles
carrées et a démontré que lorsqu'une simple relation entre
la taille des boucles est satisfaite, la performance des deux bobines s'est
avérée très similaire en termes de SNR. La formulation de
l'approche théorique étant largement détaillée, cet
article pourrait être intéressant pour les étudiants
diplômés et les chercheurs travaillant dans le domaine de la
conception de bobine et développement.
Rtotal est la somme de toutes les
résistances pouvant être associé à un
mécanisme de perte dans les conducteurs et au sein de
l'échantillon. En particulier : Rbobine prend
en compte les pertes dans les conducteurs de bobine et dépend de la
géométrie du conducteur.
Rchantillon sont les pertes
d'échantillon causées par les courants RF, induites par le champ
magnétique alternatif, et par les champs électriques dans
l'échantillon, principalement générés par les
condensateurs à bobine. Les Rextra
comprennent les pertes radiatives, condensateurs d'accord et pertes de
soudure, bien que les pertes radiatives peuvent être
négligées dans de nombreuses applications bobines
accordées basse fréquence. La définition du facteur de
qualité de la bobine fournit une mesure quantitative de la
qualité du circuit, Un paramètre commun d'évaluation de la
performance de la bobine est le rapport r entre le facteur de qualité du
résonateur vide (Qvide) et le
résonateur avec l'échantillon
(Qchantillon), qui peut être
défini comme la sensibilité à la charge où r doit
être maximisé pour fournir un SNR d'IRM maximal. De ces travaux,
nous nous sommes servis pour des différents calculs des dimensions de
bobine boucle (résistance de la bobine, résistance de
l'échantillon, facteur de qualité et le rapport r entre les Q)
En 2017, Nan Li et al. [27] décrivent
une méthode permettant d'améliorer l'effica-cité de la
simulation dans la conception de bobines radiofréquences; tout en
optimisant la performance des bobines afin d'améliorer la
sensibilité de détection du signal et d'obte-nir des IRM de haute
qualité. À travers la simulation, on peut étudier la
distribution du champ électromagnétique (EM) et le taux
d'absorption spécifique (SAR) pour assurer la qualité de
l'imagerie et la sécurité des patients. Ils présentent une
méthode de Co-simulation qui combine la simulation de champ EM et la
simulation de circuit; elle fournit un choix plus efficace pour les circuits RF
complexes. Ils effectuent donc une comparaison entre les paramètres de
diffusion et les résultats de distribution de champ avec la
méthode de simulation conventionnelle (principalement basée sur
la méthode des éléments finis et la méthode des
différences finies) et observe que la méthode de Co-simulation
est très précise. Sans structure de résonance dans la
Co-simulation, la convergence de la simulation de champ
électromagnétique est plus rapide que la méthode
conventionnelle. Et à travers le double accord à trois canaux de
simulation de bobine radiofréquence, la Co-simulation proposée
réduit de 4000 la durée de simulation dans une
simulation de champ électromagnétique. En
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ce qui concerne l'optimisation des valeurs des
éléments localisés, la Co-simulation permet
d'économiser plus de 9000 du temps total. L'écart du
champ électromagnétique et le taux d'absorption spécifique
(SAR) entre la Co-simulation proposée et la simulation conventionnelle
sont tous inférieurs à 400 ; ce qui valide donc la
précision de la méthode proposée.
En 2017, Giulio Giovannetti et al. [28] se
concentre sur une tâche fondamentale pour optimiser le rapport signal sur
bruit dans les applications de résonance magnétique : La
simulation et la conception des bobines. Les techniques de conception de ces
bobines tirent parti des simulations sur ordinateur en fonction de la longueur
d'onde du champ magnétique et les tailles de bobines. Certaines
caractéristiques de la bobine, telles que
l'ho-mogénéité du champ magnétique, peuvent
être estimées par la théorie
électromagnétique sous le nom de Biot-Savart aussi longtemps que
l'hypothèse de champ presque statique est vérifiée, mais
avec l'augmentation de l'intensité du champ statique dans les scanners
modernes, cette condition est rarement satisfaite. Une question sur l'analyse
précise des antennes de communication s'est développée au
cours des dernières années; De plus, lorsque la bobine est
chargée avec un échantillon, les propriétés
électromagnétiques de l'échantillon ont une incidence
importante sur la répartition du rapport signal / bruit (SNR). C'est
pour cela que le développement moderne de bobines de résonance
magnetique exploite des méthodes numériques qui permettent de
simuler le comportement de la bobine en présence de charges
réalistes et d'étudier l'efficacité de la bobine à
haute fréquence, et à ces fréquences-là, les
bobines commencent à se comporter comme des antennes; ainsi, Ce
développement exploite les méthodes numériques
généralement utilisées pour la simulation d'antennes. Ils
présentent aussi les paramètres de performance des bobines et des
antennes et se concentrent sur les différentes approches de simulation.
En fonction des zones de champ proche ou lointain et de la fréquence de
fonctionnement.
En 2018, C. stumpf et al. [29] proposent une
description mathématique pour le calcul du rapport signal sur bruit
(SNR) maximal combiné de Réseaux de bobines de réception
IRM utilisant des valeurs numériques de champs B1 et des
paramètres S, et comprenant un nouveau modèle complet de la
contribution du bruit dans le préamplificateur, qui permet une
prédiction précise de la valeur absolue. Ils utilisent la
méthode du facteur Y décrite dans [30] pour mesurer les
paramètres de bruit des préamplificateurs dans un environnement
blindé; ils présentent également une méthode qui
maximise le RSB dans chaque voxel [31]; et le résolveur de la
méthode des éléments finis du logiciel CST microwave
studio est également utilisée. Les valeurs SNR du modèle
sont en bon accord avec les valeurs mesurées, présentant un
écart maximal de 1,1 dB à une distance de bobine de l = 290 mm.
Cet écart peut être dû à des imprécisions de
mesure. De plus, les conditions aux limites de la simulation de champ
électromagnétique ne couvrent pas tous les détails du
système de numérisation complet. Cependant, la précision
résultante du modèle SNR montre que le couplage du bruit des
préamplificateurs et la dégradation du SNR sont bien
reproduit.
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Pour l = 20 mm, représentant les bobines fortement
couplées, le rapport SNR estimé entre les
préamplificateurs physiques et sans bruit est d'environ 16 dB. Cela
montre que réduire le facteur de bruit des préamplificateurs et
optimiser le découplage des éléments de bobines peuvent
avoir un impact majeur sur le RSB résultant pour les réseaux de
bobines faiblement chargés. Comme la charge de la bobine augmente,
l'effet sera affaibli car le bruit de l'échantillon deviendra le facteur
dominant en ce qui concerne le SNR. Les résultats de mesure du RSB et le
modèle du réseau à quatre éléments peuvent
également être considéré comme étant en bon
accord. L'écart maximum entre les valeurs mesurées et
modélisées est observé dans les régions où
le signal IRM est de faible amplitude. Cela peut s'expliquer par une onde
stationnaire qui s'est accumulée dans le fantôme
enquêté. Les résultats des réseaux de bobines
à deux et à quatre canaux montrent que l'approche proposée
pour la modélisation du SNR peut être utilisé pour
prédire les valeurs de SNR absolues avec une bonne précision,
même pour éléments légèrement chargés.
Le modèle de préamplificateur passif permet la
modélisation de l'ensemble du réseau en Paramètres S, en
tenant compte de tous les effets de couplage.
Tout au long de ce chapitre, nous avons pu nous rendre compte
des difficultés liées à la conception d'antennes RF en
IRM. Malgré ces difficultés des méthodes numériques
pour les solutionner existent et la communauté de chercheur en IRM ne
cesse de travailler à l'élaboration des techniques nouvelles de
conceptions capables d'apporter des améliorations (la
sensibilité, l'homogénéité du champ, le rapport
signal sur bruit). Ainsi dans la suite de ce travail, nous nous sommes
intéressés aux travaux de Giulio Giovannetti et al.
[25] qui par une étude magnétostatique exploitent le
champ magnétique de l'équation de Biot et savart pour concevoir
une antenne de surface simple boucle circulaire de 16.7 mm de rayon et 2 mm de
rayon du fil; nous cherchons ici à reproduire les résultats de
leurs travaux en modifiant la taille de la boucle (20 cm diamètre)
à 1.5 T qui est réglementée pour des études
cliniques chez certains sujets en IRM; ceci dans le but de mieux comprendre les
techniques de conceptions d'antennes RF employées par ces auteurs qui
utilisent le logiciel IDL pour simuler le champ de l'équation de
Biot-savart. Nous utiliserons également cette équation que nous
allons l'intégrer numériquement par Gauss-Legendre et la
simulé dans le logiciel Matlab. Le chapitre suivant présente les
différents outils et méthodes utilisés pour la conception
de cette antenne.
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