WO1991000059A1 - Equipment for obtaining medical, pharmacological or other data by nuclear and echographic magnetic resonance - Google Patents

Equipment for obtaining medical, pharmacological or other data by nuclear and echographic magnetic resonance Download PDF

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WO1991000059A1
WO1991000059A1 PCT/FR1990/000496 FR9000496W WO9100059A1 WO 1991000059 A1 WO1991000059 A1 WO 1991000059A1 FR 9000496 W FR9000496 W FR 9000496W WO 9100059 A1 WO9100059 A1 WO 9100059A1
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WO
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probe
ultrasound
installation according
magnetic resonance
nuclear magnetic
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Application number
PCT/FR1990/000496
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French (fr)
Inventor
François TRANQUART
Marceau Berson
Alain Lepape
Léandre Pourcelot
Original Assignee
Institut National De La Sante Et De La Recherche Medicale
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/055—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08—Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • 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

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of imaging and spectroscopy for medical applications, and relates more generally to a new method of medical investigation and a new apparatus for its implementation.
  • nuclear magnetic resonance NMR
  • spectroscopy physico-chemical
  • imaging morphological
  • MRI nuclear magnetic resonance imaging
  • cardiac spectroscopy by synchronizing the NMR acquisitions with the signals of
  • the joint measurement of cardiac work can currently only be performed by measuring the left intraventricular pressure, a measurement which is insufficient for the correct evaluation of the contractile properties of the myocardium.
  • time / movement (TM) or two-dimensional ultrasound has since proven for many years its ability to evaluate for example the parameters of myocardial function such as the ventricular volume, the volume of systolic ejection, the ejection fraction, the rate of shortening of the fibers, the rate of thickening of the myocardium, etc. ..
  • a diagnostic apparatus which comprises on the one hand means for emitting ultrasonic pulses and for detecting and recording reflections from interfaces between tissues, supplemented by means of processing and visualization of the information collected (namely an ultrasound machine), and on the other hand means of identification of tissues by the phenomenon of nuclear magnetic resonance (NMR ), the ultrasound and NMR information being processed simultaneously.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • FIG. 1 of this patent application shows that the patient's body is placed in a uniform magnetic field B0 established by appropriate coils 11, and that the means for transmitting / detecting ultrasound and the antenna intended to generate the radiofrequency excitation field B 1 of the NMR phenomenon are incorporated into a common portable detection assembly 20.
  • the simple fact of providing the ultrasonic means in the close vicinity of the antenna generating the excitation field B1 and in this field can have the immediate consequence of rendering the NMR data collected by this coil unusable.
  • the radiofrequency field B1 with a frequency of the order of 20 to 200 MHz, is extremely sensitive to the presence in its vicinity of magnetic (field deformations) or electric (antenna effect) materials, and these anomalies created by the presence of the ultrasound probe do not allow not obtain medically usable NMR spectroscopy or imaging.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks of the prior art and to propose an apparatus which combines NMR and ultrasound techniques in a practically exploitable manner.
  • the present invention relates to an installation for the investigation of medical, biological and similar data, of the type comprising an ultrasonic analysis apparatus comprising an ultrasound emission / reception probe and an analysis apparatus by nuclear magnetic resonance comprising means for establishing an essentially constant magnetic field and a radiofrequency electromagnetic field transmission-reception probe, the ultrasound probe being arranged in the vicinity of said radiofrequency field probe, installation characterized in that it includes timing means for alternately activating the transmission / reception of ultrasound and the transmission / reception of the radiofrequency field, as well as means for galvanically isolating the ultrasound probe during activation of the transmission / detection of the field radio frequency.
  • the timing means comprise a link for a synchronization signal between a processing module of the analysis apparatus by nuclear magnetic resonance and a processing module of the ultrasonic analysis apparatus.
  • the galvanic isolation means comprise a pneumatic switch suitable when open to ensure a significant gap between the contacts.
  • the ultrasonic analysis device operates a time / movement ultrasound at high frequency or a doppler emission.
  • the nuclear magnetic resonance analysis device operates by spectroscopy of phosphorus 31 or carbon 13 or also by imaging, in particular of the proton.
  • the installation can be used for the investigation of metabolic and mechanical data in vitro on an organ such as an perfused and stimulated animal heart contained in a tube housed in the probe of the nuclear magnetic resonance apparatus, in which case the ultrasound probe is an ultrasound probe placed in the tube and designed to emit and receive ultrasound in a viewing direction substantially inclined relative to the axis of the tube.
  • the ultrasound probe is arranged vertically near one of the walls of the tube and comprises at its lower end a piezoelectric transducer inclined as a whole relative to a horizontal plane.
  • the ultrasound probe is arranged vertically near one of the walls of the tube and comprises at its lower end a piezoelectric transducer arranged as a whole horizontally and an acoustic mirror is provided below the probe inclined reflective surface.
  • the ultrasound probe is arranged horizontally - * _ in the tube and is at least partially embedded in a side wall thereof.
  • the timing means alternately define a nuclear magnetic resonance phase comprising an excitation and resulting acquisition and an ultrasonic analysis phase comprising a excitation and a resultant acquisition, for example with respective durations of 400 ms and 600 s.
  • FIG. 1 is a view of schematic assembly of an apparatus according to a possible embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a detail view in axial section of a part of the apparatus of Figure 1
  • Figure 3 is a scale view enlarged with a detail of FIG. 2
  • FIG. 4 is a view analogous to FIG. 2, of a first alternative embodiment
  • FIG. 5 is a view analogous to FIG. 3 of this same variant
  • FIG. 6 is a view similar to FIG. 2 of a second variant embodiment
  • FIG. 7 is a view similar to FIG. 3 of this second variant
  • FIG. 1 is a view of schematic assembly of an apparatus according to a possible embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a detail view in axial section of a part of the apparatus of Figure 1
  • Figure 3 is a scale view enlarged with a detail of FIG. 2
  • FIG. 4 is a view analogous to FIG. 2, of a first alternative embodiment
  • FIG. 5 is a view analogous to FIG. 3 of this same variant
  • FIG. 8 is a representation in the form of a block diagram of an example of the part ultrasound equipment electronics that used in the invention
  • FIG. 9 is a schematic representation of a recording obtained with the apparatus of the invention
  • FIG. 10 is a timing diagram illustrating in a simplified manner the operation of the apparatus of the invention.
  • FIG. 1 there is shown an apparatus for the study of metabolism of an isolated and perfused rat C heart, by combination of phosphorus 31 NMR spectroscopy and a "time-movement" ultrasound. This technique will then be validated by pharmacological studies under conditions of cardiac hypoxia on the one hand and under the action of an agent with positive inotropic activity on the other hand.
  • the apparatus includes an ultrasound probe 100 arranged as will be seen below in the vicinity of the magnetic core of the NMR apparatus, a coaxial cable 110 connecting the probe 100 to a time / movement ultrasound module 120, operating at frequencies high of the order of 10 to 20 MHz, a recorder 130, for example of the fiber optic type ("Visicorder" device (registered trademark) manufactured by the company Hewlett-Packard) or of the video recorder type, and a switch 140 externally controlled.
  • the above assembly is associated with a system for studying a rat heart C comprising a stimulator 150, a pressure sensor 160, a perfusion system 165 and an NMR spectrometer 170.
  • the pacemaker 150 is connected to the rat heart C by two conventional liquid electrodes 151, 152.
  • the pressure sensor 160 is able to measure the left intraventricular pressure (PVG) of the heart by being connected to it by a tube 161, and delivers an output signal to an oscilloscope or analog 162 providing a measurement of said pressure.
  • the perfusion system 165 comprises a reservoir 166 for this perfusion medium, a peristaltic pump 167, a receptacle 168 for collecting the perfusate and tubes 169 for connection with the heart C and the perfusion medium LP.
  • the NMR apparatus used is in the present example a spectrometer of the AM200 type manufactured by the company Brucker, operating with a constant magnetic field Bo of 4.7 Teslas.
  • the 180 transmission / detection set spectrometer is equipped with a 20 mm ultinuclei probe 182 associated with a superconductive magnet 181 for establishing the constant electric field Bo.
  • the probe is constituted by an excitation antenna 182 of the horse saddle type, intended for the application of pulses (field B_) and for the reception of nuclear magnetic resonance signals.
  • the frequency is for example 81.13 MHz for phosphorus 31.
  • the shield 111 of the coaxial cable 110 of the ultrasound probe 100 is connected in 185 to the NMR enclosure 184 which houses the antenna 182 and the tube 183.
  • the isolated rat heart C is immersed in an LP perfusion liquid inside a test tube 183 associated with the probe 182, with a diameter of 20 mm.
  • the NMR parameters are close to those usually used for studying the heart, namely:
  • the ultrasound probe and its cable are devoid of any magnetic material.
  • switch means 140 are provided for the purpose of galvanic isolation of the cable 110 to avoid interfering with the NMR excitation and acquisition signals during their appearance.
  • these switch means are constituted by a pneumatic switch.
  • a pneumatic switch makes it possible to meet the above criteria by authorizing a relatively high operating frequency, of the order of 2 Hz.
  • the switch 140 must be located as close as possible to the ultrasound probe 100 inside the access hole of the NMR probe 180; a minimum distance of 10 cm inside this hole must be respected.
  • the ultrasound and NMR investigation phases are perform alternately, in an interlaced mode. More specifically, the switch 140 is open during the NMR excitation / acquisition phases and it is closed for the ultrasound recordings made outside the NMR activity period. To this end, the pneumatic switch 140 is slaved to the NMR spectrometer 170 by an appropriate control signal on a control line 173, ensuring the necessary synchronization.
  • the NMR excitation pulse denoted IRMN, with a duration of 14 ⁇ s in the present example, is triggered by a cardiac synchronization (pulses), which allows perfect timing on the cardiac cycle.
  • TRMN period a delay of approximately 1 second between two IRMN pulses
  • duration TACQ a delay slightly less than 0.4 seconds
  • TECHO period a period of approximately 0.6 seconds (TECHO period) for performing an ultrasound recording.
  • NMR 170 is provided via line 175 (FIG. 1) between it and the ultrasound system 120, so that the ultrasound acquisition occurs at the end of each TACO period, thus avoiding any overlap between the NMR signals and the signals ultrasound ultrasound.
  • the ultrasound technique used in the present example is the so-called "time / movement” technique, which makes it possible to follow the evolution over time of the movements of the walls and valves of the heart and of the dimensions of these walls. and heart chambers.
  • the rat heart C is, as already indicated, placed in the test tube 183 with a diameter of 20 mm, itself introduced into the central passage of the NMR probe 182.
  • the problem is to position the ultrasonic sensor facing the heart.
  • the dimensions of the core (of the order of a centimeter) and of the walls thereof (of the order of 3 to 4 mm) it is necessary to have good resolution, not only laterally but especially axially for the evaluation of thicknesses.
  • a high ultrasound frequency is advantageously used, for example of the order of 10 to 20 MHz.
  • the heart C is in practice only slightly inclined to the vertical axis A of the system. It follows that an ultrasound sensor introduced into the tube so as to emit an ultrasound beam parallel to the axis A could not be usefully used, because the ultrasound information collected in a direction substantially parallel to said axis A is of interest limit.
  • a sensor is used placed near the wall of the tube 183 and designed to allow a sufficiently inclined aiming with respect to the longitudinal axis AC of the heart.
  • a probe 100 is donated ⁇ t the transducer 101 is inclined at an angle ⁇ , for example of the order of 15 to 45 °, relative to the horizontal, so as to obtain a correct incidence direction (aiming direction V) to collect information on the movements and dimensions of the walls of the cardiac cavities, that is to say sufficiently at an angle with respect to the longitudinal axis AC of the heart.
  • the probe 100 can be produced in a relatively conventional manner and include a tube 102, for example of a length less than or equal to 15 mm and a diameter of the order of 4 mm, produced in non-magnetic material such as plastic or copper, at the lower end of which the inclined transducer 101 is fixed.
  • the transducer 101 is in the form of a spherical cup to ensure the focusing of the ultrasound beam at a focal point F preferably situated at a distance of the order of 10 to 15 mm from said transducer.
  • the transducer is made for example of a conventional piezoelectric material PZT (mixture of lead, zirconate and titanate) and has silver electrodes.
  • PVDF which has a lower electro-acoustic efficiency but a better impulse response.
  • 103 is indicated a thin protection and adaptation blade, glued to the exterior surface of the transducer.
  • a damping material 104 is housed inside the tube 102 behind the transducer 101.
  • a small bronze tube 105 has a diameter slightly smaller than that of the tube 102 and extends the latter backwards over a length of the order of 15 cm. This tube 105 takes the place on the one hand of a sheath for electric wires 106 connected to the transducer 101 and on the other hand of manipulation means for moving and orienting the probe 100 as a function of the position of the heart
  • FIGS. 4 and 5 show a second embodiment of the probe 100 with inclined view.
  • the probe 100 is here an ordinary probe, that is to say that it has as such a direction of sight Vo confused with its axis and oriented here essentially vertically.
  • This probe is associated with an acoustic mirror 107 of triangular section, the reflecting face 107a of which is inclined at an angle ⁇ for example of the order of 40 to 60 ° relative to the horizontal, so as to return the beam d in the direction of sight V inclined towards the heart C.
  • the probe 100 of FIG. 5 is identical to that of FIG. 3, the only differences being of a geometrical order.
  • the acoustic mirror 107 is made of a material known for its good qualities of acoustic reflection, and in particular glass, poly methyl ethacrylate, copper, etc.
  • the mirror 107 can be made integral with the probe by an appropriate mechanical connection such as one or more uprights (not shown).
  • the distance between the transducer 101 and the point P located on the face 107a vertical to the center 0 of the transducer is advantageously chosen sufficiently large so that said face 107a can reflect the entire beam of ultrasound.
  • the probe 100 is of reduced length and arranged perpendicular to the axis of the tube 183.
  • the probe can be partially * incorporated into the thickness of this wall.
  • the probe can have a diameter D of 2 mm and a length L of 3 mm, with a transducer 101 with a thickness of the order of 0.2 mm and a thickness of absorbent material 104 of 1 2.8 mm.
  • This latter thickness proves to be sufficient with a conventional piezoelectric material (PZT) insofar as the frequency is high (of the order of 20 MHz).
  • FIG. 8 shows the block diagram of the time / movement ultrasound module 120.
  • a logical sequencer 121 autonomous or synchronizable by a signal coming from the RNM spectrometer 170 for the alternating NMR / ultrasound sequence controls the module 120 and in particular controls a transmission circuit 122 intended to excite the probe 100 with a short duration pulse (in order to optimize the axial resolution of the probe) and large amplitude (150 volts).
  • the echoes picked up by said probe are applied to the input of a reception circuit 123 comprising a preamplifier 123a, a logarithmic amplifier 123b and a detector 123c
  • the output of circuit 123 is applied to a first input of an amplifier-summator 124 , ”Whose second input receives from the logical sequencer 121 pulses of time reference and depth, spaced for example by 0.5 second and 2.6 ⁇ s (2 mm), respectively, and from which a third input can receive the signals of synchronization of the stimulator 150.
  • the circuit 124 thus supplies to the recorder 130 the useful signals, namely the ultrasound echoes, the pulses from the time and depth or distance marker as well as the stimulator pulses.
  • the presence of the stimulator pulses makes it possible to carry out the measurements on the time / movement recording established by the recorder 130 at instants chosen as a function of the state of stimulation of the heart.
  • the module 120 includes a time base 125 triggered by the sequencer 121 and which ensures the horizontal scanning of the recorder.
  • the rat heart C isolated and perfused, made it possible to validate the technique in accordance with the present invention.
  • D and S respectively designate the phases of diastole and ventricular systole.
  • the percentage of systolic thickening is equal to (Es-Ed) / Ed
  • the rate of systolic contraction (VCS) is equal to the ratio a / t
  • the sine of the angle ⁇ of the protosystolic slope is equal to c / 1.
  • an ultrasound or doppler technique and an interlaced NMR technique may be combined in the context of in vivo spectroscopy and NMR imaging.
  • the NMR apparatus can be of the type intended for whole-body imaging or comprise a surface coil for micro-imaging or spectroscopy applications.
  • the ultrasound probe can be placed on the patient at any suitable location, and for example next to the NMR excitation antenna, aiming at the organ under study.
  • the galvanic isolation of the ultrasound probe is carried out during the NMR excitation / acquisition phases, which means that disturbances are minimized whatever the positioning of the ultrasonic probe.
  • the interlaced sequencing of the NMR and ultrasound acquisitions is also carried out.
  • pneumatic switch means have been described above for isolating the ultrasound probe, any other means fulfilling the same function can be used.
  • electronic or opto-electronic means can be used.

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Abstract

The invention relates to equipment for investigation into medical, biological and analogue data, of the kind which includes an ultra-sonic analysis apparatus (120) containing a probe (100) for the detection of ultrasonic transmission and reception, and an apparatus for analysis by nuclear magnetic resonance (170). Said apparatus has means (181) for establishing an essentially constant magnetic field and a probe (182) for detecting the transmission or reception of a radio-frequency electromagnetic field, the ultra-sonic probe being located close to said radio-frequency field probe. The equipment is characterized by the fact that it includes rhythming means (175) which alternatively activate the transmission/reception of ultrasounds and the transmission/reception of the radio-frequency field, as well as means (140) for insulating, by galvanization, the ultrasonic probe during activation of the radio-frequency field transmission/detection.

Description

INSTALLATION POUR L'OBTENTION PAR RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE ET ECHOGRAPHIE DE DONNEES MEDICALES, PHARMACOLOGIQUES OU AUTRES. INSTALLATION FOR OBTAINING NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE AND ECHOGRAPHY OF MEDICAL, PHARMACOLOGICAL OR OTHER DATA.
La présente invention a trait d'une façon générale au domaine de l'imagerie et de la spectroscopie pour applications médicales, et concerne plus généralement un nouveau procédé d'investigation médicale et un nouvel appareillage pour sa mise en oeuvre.The present invention relates generally to the field of imaging and spectroscopy for medical applications, and relates more generally to a new method of medical investigation and a new apparatus for its implementation.
Depuis plusieurs années, la résonance magnétique nucléaire (RMN) s'est affirmée comme un outil privilégié pour l'étude de paramètres physico-chimiques (spectroscopie) et morphologiques (imagerie) dans des applications notamment biologiques, médicales et industrielles.For several years, nuclear magnetic resonance (NMR) has asserted itself as a privileged tool for the study of physico-chemical (spectroscopy) and morphological (imaging) parameters in applications in particular biological, medical and industrial.
Mais compte-tenu de la faible sensibilité du phénomène RMN et de l'impossibilité actuelle de réaliser en temps réel l'imagerie et la spectroscopie, cette technique ne peut en pratique se suffire à elle-même, en particulier lors de l'étude de phénomènes à évolution rapide comme par exemple les mouvements cardiaques et le flux sanguin. Ainsi, en particulier dans des applications biomédicales, il est actuellement indispensable de confronter des données RMN à des paramètres fonctionnels pour pouvoir interpréter correctement les résultats.However, given the low sensitivity of the NMR phenomenon and the current impossibility of real-time imaging and spectroscopy, this technique cannot in practice be self-sufficient, in particular during the study of rapidly evolving phenomena such as heart movements and blood flow. Thus, in particular in biomedical applications, it is currently essential to compare NMR data with functional parameters in order to be able to correctly interpret the results.
Par exemple, on peut actuellement combiner l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM) avec la spectroscopie cardiaque, en synchronisant les acquisitions RMN avec les signaux deFor example, we can currently combine nuclear magnetic resonance imaging (MRI) with cardiac spectroscopy, by synchronizing the NMR acquisitions with the signals of
1'électrocardiogramme.The electrocardiogram.
Mais la mesure conjointe du travail cardiaque ne peut être actuellement réalisée que par mesure de la pression intra-ventriculaire gauche, mesure qui est insuffisante pour l'évaluation correcte des propriétés contractiles du myocarde.However, the joint measurement of cardiac work can currently only be performed by measuring the left intraventricular pressure, a measurement which is insufficient for the correct evaluation of the contractile properties of the myocardium.
Par ailleurs, 1'échographie de type temps/mouvement (TM) ou à deux dimensions a prouvé depuis de nombreuses années sa capacité à évaluer par exemple les paramètres de la fonction myocardique tels que le volume ventriculaire, le volume d'éjection systolique, la fraction d'éjection, le taux de raccourcissement des fibres, le taux d'épaississement du myocarde, etc..In addition, time / movement (TM) or two-dimensional ultrasound has since proven for many years its ability to evaluate for example the parameters of myocardial function such as the ventricular volume, the volume of systolic ejection, the ejection fraction, the rate of shortening of the fibers, the rate of thickening of the myocardium, etc. ..
On connaît déjà dans la technique antérieure, par la demande de brevet français publiée No. 2 507 321, un appareil de diagnostic qui comprend d'une part des moyens d'émission d'impulsions ultrasonores et de détection et d'enregistrement de réflexions provenant des interfaces entre les tissus, complétés par des moyens de traitement et de visualisation des informations recueillies (à savoir un appareil d'échographie) , et d'autre part des moyens d'identification des tissus par le phénomène de la résonance magnétique nucléaire (RMN), les informations échographiques et RMN étant traitées simultanément.Already known in the prior art, by published French patent application No. 2,507,321, a diagnostic apparatus which comprises on the one hand means for emitting ultrasonic pulses and for detecting and recording reflections from interfaces between tissues, supplemented by means of processing and visualization of the information collected (namely an ultrasound machine), and on the other hand means of identification of tissues by the phenomenon of nuclear magnetic resonance (NMR ), the ultrasound and NMR information being processed simultaneously.
Plus précisément, la figure 1 de cette demande de brevet montre que le corps du patient est disposé dans un champ magnétique uniforme B0 établi par des bobines appropriées 11, et que les moyens d'émission/détection d'ultra-sons et l'antenne destinée à engendrer le champ d'excitation radiofréquence Bl du phénomène RMN sont incorporés à un ensemble de détection portatif commun 20.More specifically, FIG. 1 of this patent application shows that the patient's body is placed in a uniform magnetic field B0 established by appropriate coils 11, and that the means for transmitting / detecting ultrasound and the antenna intended to generate the radiofrequency excitation field B 1 of the NMR phenomenon are incorporated into a common portable detection assembly 20.
Un tel appareillage connu est cependant incapable de donner des résultats satisfaisants. En effet, le simple fait de prévoir les moyens à ultrasons au proche voisinage de l'antenne génératrice du champ d'excitation Bl et dans ce champ peut avoir pour conséquence immédiate de rendre les données RMN recueillies par cette bobine inexploitables. Plus précisément, le champ radiofréquence Bl, d'une fréquence de l'ordre de 20 à 200 MHz, est extrêmement sensible à la présence dans son voisinage de matériaux magnétiques (déformations du champ) ou électriques (effet d'antenne), et ces anomalies créées par la présence de la sonde échographique ne permettent pas d'obtenir une spectroscopie ou une imagerie RMN médicalement exploitable.Such a known apparatus is however incapable of giving satisfactory results. Indeed, the simple fact of providing the ultrasonic means in the close vicinity of the antenna generating the excitation field B1 and in this field can have the immediate consequence of rendering the NMR data collected by this coil unusable. More precisely, the radiofrequency field B1, with a frequency of the order of 20 to 200 MHz, is extremely sensitive to the presence in its vicinity of magnetic (field deformations) or electric (antenna effect) materials, and these anomalies created by the presence of the ultrasound probe do not allow not obtain medically usable NMR spectroscopy or imaging.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients de la technique antérieure et à proposer un appareillage qui combine les techniques de RMN et ultrasonore de façon pratiquement exploitable.The present invention aims to overcome these drawbacks of the prior art and to propose an apparatus which combines NMR and ultrasound techniques in a practically exploitable manner.
A cet effet, la présente invention concerne une installation pour l'investigation sur des données médicales, biologiques et analogues, du type comprenant un appareil d'analyse ultrasonore comportant une sonde d'émission/réception d'ultrasons et un appareil d'analyse par résonance magnétique nucléaire comportant des moyens pour établir un champ magnétique essentiellement constant et une sonde d'émission-réception d'un champ électromagnétique radiofréquence, la sonde d'ultrasons étant disposée au voisinage de ladite sonde de champ radiofréquence, installation caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de cadencement pour alternativement activer l'émission/réception des ultrasons et l'émission/réception du champ radiofréquence, ainsi que des moyens pour isoler galvaniquement la sonde d'ultrasons pendant l'activation de l'émission/détection du champ radiofréquence.To this end, the present invention relates to an installation for the investigation of medical, biological and similar data, of the type comprising an ultrasonic analysis apparatus comprising an ultrasound emission / reception probe and an analysis apparatus by nuclear magnetic resonance comprising means for establishing an essentially constant magnetic field and a radiofrequency electromagnetic field transmission-reception probe, the ultrasound probe being arranged in the vicinity of said radiofrequency field probe, installation characterized in that it includes timing means for alternately activating the transmission / reception of ultrasound and the transmission / reception of the radiofrequency field, as well as means for galvanically isolating the ultrasound probe during activation of the transmission / detection of the field radio frequency.
Des aspects préférés mais non limitatifs de l'installation selon la présente invention sont les suivants:Preferred but non-limiting aspects of the installation according to the present invention are the following:
- les moyens de cadencement comprennent une liaison pour un signal de synchronisation entre un module de traitement de l'apparei_l d'analyse par résonance magnétique nucléaire et un module de traitement de l'appareil d'analyse ultrasonore.- The timing means comprise a link for a synchronization signal between a processing module of the analysis apparatus by nuclear magnetic resonance and a processing module of the ultrasonic analysis apparatus.
- les moyens d'isolation galvanique comprennent un interrupteur pneumatique apte lorsqu'il est ouvert à assurer une écarte ent important des contacts. - l'appareil d'analyse ultrasonore opère une échographie temps/mouvement à fréquence élevée ou une émission doppler.- The galvanic isolation means comprise a pneumatic switch suitable when open to ensure a significant gap between the contacts. - the ultrasonic analysis device operates a time / movement ultrasound at high frequency or a doppler emission.
- l'appareil d'analyse par résonance magnétique nucléaire opère par spectroscopie du phosphore 31 ou du carbone 13 ou encore par imagerie, notamment du proton.- The nuclear magnetic resonance analysis device operates by spectroscopy of phosphorus 31 or carbon 13 or also by imaging, in particular of the proton.
- l'installation peut être utilisée pour l'investigation sur des données métaboliques et mécaniques in vitro sur un organe tel qu'un coeur animal perfusé et stimulé contenu dans un tube logé dans la sonde de l'appareil de résonance magnétique nucléaire, auquel cas la sonde d'ultrasons est une sonde échographique disposée dans le tube et conçue pour émettre et recevoir les ultrasons selon une direction de visée sensiblement inclinée par rapport à l'axe du tube.- the installation can be used for the investigation of metabolic and mechanical data in vitro on an organ such as an perfused and stimulated animal heart contained in a tube housed in the probe of the nuclear magnetic resonance apparatus, in which case the ultrasound probe is an ultrasound probe placed in the tube and designed to emit and receive ultrasound in a viewing direction substantially inclined relative to the axis of the tube.
- par exemple, la sonde échographique est disposée verticalement à proximité d'une des parois du tube et comporte à son extrémité inférieure un transducteur piézo-électrique incliné dans son ensemble par rapport à un plan horizontal.- For example, the ultrasound probe is arranged vertically near one of the walls of the tube and comprises at its lower end a piezoelectric transducer inclined as a whole relative to a horizontal plane.
- en variante, la sonde échographique est disposée verticalement à proximité d'une des parois du tube et comporte à son extrémité inférieure un transducteur piézo-électrique disposé dans son ensemble horizontalement et il est prévu au-dessous de la sonde un miroir acoustique comportant une surface réfléchissante inclinée.- as a variant, the ultrasound probe is arranged vertically near one of the walls of the tube and comprises at its lower end a piezoelectric transducer arranged as a whole horizontally and an acoustic mirror is provided below the probe inclined reflective surface.
- dans une autre variante, la sonde échographique est disposée horizontalement-*_ans le tube et est au moins partiellement encastrée dans une paroi latérale de celui-ci.- In another variant, the ultrasound probe is arranged horizontally - * _ in the tube and is at least partially embedded in a side wall thereof.
- les moyens de cadencement définissent en alternance une phase de résonance magnétique nucléaire comprenant une excitation et une acquisition résultante et une phase d'analyse par ultrasons comprenant une excitation et une acquisition résultante, avec par exemple des durées respectives de 400 ms et 600 s.- the timing means alternately define a nuclear magnetic resonance phase comprising an excitation and resulting acquisition and an ultrasonic analysis phase comprising a excitation and a resultant acquisition, for example with respective durations of 400 ms and 600 s.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue d'ensemble schématique d'un appareillage selon une forme d'exécution possible de la présente invention, la figure 2 est une vue de détail en coupe axiale d'une partie de l'appareillage de la figure 1, la figure 3 est une vue à échelle agrandie d'un détail de la figure 2, la figure 4 est une vue analogue à la figure 2, d'une première variante de réalisation, la figure 5 est une vue analogue à la figure 3 de cette même variante, la figure 6 est une vue analogue à la figure 2 d'une seconde variante de réalisation, la figure 7 est une vue analogue à la figure 3 de cette seconde variante, la figure 8 est une représentation sous forme de schéma-bloc d'un exemple de la partie électronique de l'appareillage échographique utilisé dans l'invention, la figure 9 est une représentation schématique d'un enregistrement obtenu avec l'appareillage de l'invention, et la figure 10 est un chronogramme illustrant de façon simplifiée le fonctionnement de l'appareillage de 1'invention.Other aspects, aims and advantages of the present invention will appear better on reading the following detailed description, given by way of nonlimiting example and made with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a view of schematic assembly of an apparatus according to a possible embodiment of the present invention, Figure 2 is a detail view in axial section of a part of the apparatus of Figure 1, Figure 3 is a scale view enlarged with a detail of FIG. 2, FIG. 4 is a view analogous to FIG. 2, of a first alternative embodiment, FIG. 5 is a view analogous to FIG. 3 of this same variant, FIG. 6 is a view similar to FIG. 2 of a second variant embodiment, FIG. 7 is a view similar to FIG. 3 of this second variant, FIG. 8 is a representation in the form of a block diagram of an example of the part ultrasound equipment electronics that used in the invention, FIG. 9 is a schematic representation of a recording obtained with the apparatus of the invention, and FIG. 10 is a timing diagram illustrating in a simplified manner the operation of the apparatus of the invention.
On indiquera tout d'abord que, d'une figure à l'autre, des éléments ou parties identiques ou similaires sont désignés par les mêmes numéros de référence.It will first be indicated that, from one figure to another, identical or similar elements or parts are designated by the same reference numbers.
En référence tout d'abord à la figure 1, on représenté un appareillage destiné à l'étude d métabolisme d'un coeur de rat C isolé et perfusé, par combinaison d'une spectroscopie RMN du phosphore 31 et d'une échographie "temps-mouvement". Cette technique sera par suite validée par des études pharmacologiques dans des conditions d'hypoxie cardiaque d'une part et sous l'action d'un agent à activité inotrope positive d'autre part.Referring first to Figure 1, there is shown an apparatus for the study of metabolism of an isolated and perfused rat C heart, by combination of phosphorus 31 NMR spectroscopy and a "time-movement" ultrasound. This technique will then be validated by pharmacological studies under conditions of cardiac hypoxia on the one hand and under the action of an agent with positive inotropic activity on the other hand.
L'appareillage comprend une sonde échographique 100 disposée comme on le verra plus loin au voisinage du noyau magnétique de l'appareil de RMN, un câble coaxial 110 reliant la sonde 100 à un module d'échographie temps/mouvement 120, fonctionnant à des fréquences élevées de l'ordre de 10 à 20 MHz, un enregistreur 130, par exemple du type à fibres optiques (appareil "Visicorder" (marque déposée) fabriqué par la société Hewlett-Packard) ou encore du type enregistreur vidéo, et un interrupteur 140 à commande externe. L'ensemble ci- dessus est associé à un système d'étude d'un coeur de rat C comprenant un stimulateur 150, un capteur de pression 160, un système de perfusion 165 et un spectromètre RMN 170.The apparatus includes an ultrasound probe 100 arranged as will be seen below in the vicinity of the magnetic core of the NMR apparatus, a coaxial cable 110 connecting the probe 100 to a time / movement ultrasound module 120, operating at frequencies high of the order of 10 to 20 MHz, a recorder 130, for example of the fiber optic type ("Visicorder" device (registered trademark) manufactured by the company Hewlett-Packard) or of the video recorder type, and a switch 140 externally controlled. The above assembly is associated with a system for studying a rat heart C comprising a stimulator 150, a pressure sensor 160, a perfusion system 165 and an NMR spectrometer 170.
Le stimulateur 150 est relié au coeur de rat C par deux électrodes liquides classiques 151, 152. Le capteur de pression 160 est apte à mesurer la pression intra- ventriculaire gauche (PVG) du coeur en y étant relié par un tube 161, et délivre un signal de sortie à un oscilloscope ou analoque 162 fournissant une mesure de ladite pression. Enfin le système de perfusion 165 comprend un réservoir 166 cte milieu de perfusion, une pompe péristaltique 167, un récepient 168 de collecte du perfusat et des tubes 169 de liaison avec le coeur C et le milieu de perfusion LP.The pacemaker 150 is connected to the rat heart C by two conventional liquid electrodes 151, 152. The pressure sensor 160 is able to measure the left intraventricular pressure (PVG) of the heart by being connected to it by a tube 161, and delivers an output signal to an oscilloscope or analog 162 providing a measurement of said pressure. Finally, the perfusion system 165 comprises a reservoir 166 for this perfusion medium, a peristaltic pump 167, a receptacle 168 for collecting the perfusate and tubes 169 for connection with the heart C and the perfusion medium LP.
L'appareil RMN utilisé est dans le présent exemple un spectromètre de type AM200 fabriqué par la société Brucker, opérant avec un champ magnétique constant Bo de 4,7 Teslas. L'ensemble 180 d'émission/détection du spectromètre est équipé d'une sonde ultinoyaux 182 de 20 mm associée à un aimant supraconducteur 181 pour l'établissement du champ électrique constant Bo. La sonde est constituée par une antenne d'excitation 182 de type en selle de cheval, destiné à l'application des impulsions (champ B_ ) et à la réception des signaux de résonance magnétique nucléaire. La fréquence est par exemple de 81,13 MHz pour le phosphore 31. Le blindage 111 du câble coaxial 110 de la sonde échographique 100 est relié en 185 à l'enceinte RMN 184 qui abrite l'antenne 182 et le tube 183.The NMR apparatus used is in the present example a spectrometer of the AM200 type manufactured by the company Brucker, operating with a constant magnetic field Bo of 4.7 Teslas. The 180 transmission / detection set spectrometer is equipped with a 20 mm ultinuclei probe 182 associated with a superconductive magnet 181 for establishing the constant electric field Bo. The probe is constituted by an excitation antenna 182 of the horse saddle type, intended for the application of pulses (field B_) and for the reception of nuclear magnetic resonance signals. The frequency is for example 81.13 MHz for phosphorus 31. The shield 111 of the coaxial cable 110 of the ultrasound probe 100 is connected in 185 to the NMR enclosure 184 which houses the antenna 182 and the tube 183.
Le coeur de rat isolé C baigne dans un liquide de perfusion LP à l'intérieur d'un tube à essais 183 associé à la sonde 182, d'un diamètre de 20 mm. De préférence, les paramètres RMN sont proches de ceux utilisés habituellement pour l'étude du coeur, à savoir :The isolated rat heart C is immersed in an LP perfusion liquid inside a test tube 183 associated with the probe 182, with a diameter of 20 mm. Preferably, the NMR parameters are close to those usually used for studying the heart, namely:
- durée d'impulsion : 14 μs;- pulse duration: 14 μs;
- délai entre impulsions : 1 s; ~ durée d'acquisition des signaux de RMN : 315 ms.- delay between pulses: 1 s; ~ duration of NMR signal acquisition: 315 ms.
Comme on l'a indiqué en préambule, l'introduction de la sonde . échographique 100 et de son câble d'alimentation 110 dans le volume sensible de la sondeAs indicated in the preamble, the introduction of the probe. ultrasound 100 and its power cable 110 in the sensitive volume of the probe
RMN va entraîner des perturbations substantielles de l'acquisition RMN en raison des phénomènes suivants :NMR will cause substantial disruptions to NMR acquisition due to the following phenomena:
- si la sonde et/ou le câble comportent des matériaux magnétiques, ceux-ci vont perturber l'homogénéité des champs magnétiques Bo et Bi et l détection RMN; - du fait de la présence d'éléments conducteur- If the probe and / or the cable contain magnetic materials, these will disturb the homogeneity of the magnetic fields Bo and Bi and l NMR detection; - due to the presence of conductive elements
(câbles) aboutissant à l'extérieur de la zone des champs, un effet d'antenne inévitable va conduire à l'apparitio de signaux parasites dans les signaux radiofréquence d la RMN. Ces deux phénomènes contribuent à une dégradation importante du rapport signal/bruit du signal d'acquisition RMN.(cables) terminating outside the field area, an inevitable antenna effect will lead to the appearance of parasitic signals in the radiofrequency signals of NMR. These two phenomena contribute to a significant degradation of the signal / noise ratio of the NMR acquisition signal.
Conformément à un aspect essentiel de l'invention, la sonde échographique et son câble sont dépourvus de tout matériau magnétique. De plus, il est prévu des moyens interrupteurs 140 aux fins d'isolation galvanique du câble 110 pour éviter de parasiter les signaux d'excitation et d'acquisition RMN pendant leur apparition.According to an essential aspect of the invention, the ultrasound probe and its cable are devoid of any magnetic material. In addition, switch means 140 are provided for the purpose of galvanic isolation of the cable 110 to avoid interfering with the NMR excitation and acquisition signals during their appearance.
Ces moyens interrupteurs doivent remplir les conditions suivantes :These switching means must meet the following conditions:
- ils doivent constituer un coupe-circuit parfait, et à cet effet assurer à l'état ouvert un écartement substantiel des contacts, par exemple de l'ordre de 1 cm; ils doivent être facilement manoeuvrables de l'extérieur.- They must constitute a perfect circuit breaker, and for this purpose ensure in the open state a substantial spacing of the contacts, for example of the order of 1 cm; they must be easy to operate from the outside.
Dans une première réalisation, ces moyens interrupteurs sont constitués par un interrupteur pneumatique. Un tel interrupteur permet de répondre aux critères ci-dessus en autorisant une fréquence de manoeuvre relativement élevée, de l'ordre de 2 Hz.In a first embodiment, these switch means are constituted by a pneumatic switch. Such a switch makes it possible to meet the above criteria by authorizing a relatively high operating frequency, of the order of 2 Hz.
L'interrupteur 140 doit être situé le plus près possible de la sonde d'échographie 100 à l'intérieur du trou d'accès de la sonde RMN 180; une distance minimale de 10 cm à l'intérieur de ce trou doit être respectée.The switch 140 must be located as close as possible to the ultrasound probe 100 inside the access hole of the NMR probe 180; a minimum distance of 10 cm inside this hole must be respected.
Par ailleurs, selon un autre aspect essentiel de l'invention, et en association avec le fait que la sonde échographique 100 est inopérante pendant les phases d'excitation et d'acquisition RMN, les phases d'investigation par échographie et par RMN s'effectuent de façon alternée, dans un mode entrelacé. Plus précisément, l'interrupteur 140 est ouvert pendant les phases d'excitation/acquisition RMN et il est fermé pour les enregistrements échographiques réalisés en dehors de la période d'activité RMN. A cet effet, l'interrupteur pneumatique 140 est asservi au spectromètre RMN 170 par un signal de commande approprié sur une ligne de commande 173, assurant la synchonisation nécessaire. En référence maintenant à la figure 10, qui illustre l'entrelacement des signaux *échographie et de résonance magnétique nucléaire, l'impulsion d'excitation RMN, notée IRMN , d'une durée de 14 μs dans le présent exemple, est déclenchée par une synchronisation cardiaque (impulsions le), ce qui permet un calage parfait sur le cycle cardiaque.Furthermore, according to another essential aspect of the invention, and in association with the fact that the ultrasound probe 100 is inoperative during the NMR excitation and acquisition phases, the ultrasound and NMR investigation phases are perform alternately, in an interlaced mode. More specifically, the switch 140 is open during the NMR excitation / acquisition phases and it is closed for the ultrasound recordings made outside the NMR activity period. To this end, the pneumatic switch 140 is slaved to the NMR spectrometer 170 by an appropriate control signal on a control line 173, ensuring the necessary synchronization. Referring now to FIG. 10, which illustrates the interlacing of the ultrasound and nuclear magnetic resonance * signals, the NMR excitation pulse, denoted IRMN, with a duration of 14 μs in the present example, is triggered by a cardiac synchronization (pulses), which allows perfect timing on the cardiac cycle.
Compte-tenu du fait qu'un délai d'environ 1 seconde entre deux impulsions IRMN (période TRMN) est nécessaire pour éviter une saturation partielle des pics de composés phosphorylés, et qu'un délai légèrement inférieur à 0,4 seconde (durée TACQ) est requis pour l'acquisition des signaux RMN (notés URMN) , on dispose donc d'une période d'environ 0,6 seconde (période TECHO) pour effectuer un enregistrement échographique. Une synchronisation appropriée par le spectromètreConsidering the fact that a delay of approximately 1 second between two IRMN pulses (TRMN period) is necessary to avoid partial saturation of the peaks of phosphorylated compounds, and that a delay slightly less than 0.4 seconds (duration TACQ ) is required for the acquisition of NMR signals (denoted URMN), there is therefore a period of approximately 0.6 seconds (TECHO period) for performing an ultrasound recording. Appropriate synchronization by the spectrometer
RMN 170 est assurée via la ligne 175 (figure 1) entre celui-ci et l'échographe 120, de telle sorte que l'acquisition échographique intervienne à la fin de chaque période TACO , évitant ainsi tout chevauchement entre les signaux RMN et les signaux ultrasonores d'échographie.NMR 170 is provided via line 175 (FIG. 1) between it and the ultrasound system 120, so that the ultrasound acquisition occurs at the end of each TACO period, thus avoiding any overlap between the NMR signals and the signals ultrasound ultrasound.
Comme on l'a indiqué, la technique échographique utilisée dans le présent exemple est la technique dite "temps/mouvement", qui permet de suivre l'évolution au cours du temps des mouvements des parois e valves du coeur et des dimensions de ces parois et des cavités cardiaques.As indicated, the ultrasound technique used in the present example is the so-called "time / movement" technique, which makes it possible to follow the evolution over time of the movements of the walls and valves of the heart and of the dimensions of these walls. and heart chambers.
Le coeur de rat C est comme déjà indiqué placé dans le tube à essais 183 de 20 mm de diamètre, lui-même introduit dans le passage central de la sonde RMN 182.The rat heart C is, as already indicated, placed in the test tube 183 with a diameter of 20 mm, itself introduced into the central passage of the NMR probe 182.
Dans cette configuration, le problème est de positionner le capteur à ultra-sons en regard du coeur. En outre, en raison des dimensions du coeur (de l'ordre du centimètre) et des parois de celui-ci (de l'ordre de 3 à 4 mm), il est nécessaire d'avoir une bonne résolution, non seulement latéralement mais surtout axialement pour l'évaluation des épaisseurs. A cet effet, on utilise avantageusement une fréquence d'ultrasons élevée, par exemple de l'ordre de 10 à 20 MHz.In this configuration, the problem is to position the ultrasonic sensor facing the heart. In addition, due to the dimensions of the core (of the order of a centimeter) and of the walls thereof (of the order of 3 to 4 mm), it is necessary to have good resolution, not only laterally but especially axially for the evaluation of thicknesses. To this end, a high ultrasound frequency is advantageously used, for example of the order of 10 to 20 MHz.
Etant donné les dimensions indiquées ci-dessus et les impératifs liés à la perfusion (présence des petits tuyaux de perfusion et de mesure de pression et des électrodes de stimulation dans le tube 172a relativement étroit), le coeur C n'est en pratique que peu incliné par rapport à l'axe vertical A du système. Il en résulte qu'un capteur échographique introduit dans le tube de manière à émettre un faisceau d'ultrasons parallèles à l'axe A ne pourrait être employé utilement, car les informations échographiques recueillies selon une direction sensiblement parallèle audit axe A sont d'intérêt limité.Given the dimensions indicated above and the imperatives linked to the infusion (presence of the small perfusion and pressure measurement hoses and of the stimulation electrodes in the relatively narrow tube 172a), the heart C is in practice only slightly inclined to the vertical axis A of the system. It follows that an ultrasound sensor introduced into the tube so as to emit an ultrasound beam parallel to the axis A could not be usefully used, because the ultrasound information collected in a direction substantially parallel to said axis A is of interest limit.
Conformément à un autre aspect important de la présente invention, on utilise un capteur placé à proximité de la paroi du tube 183 et conçu pour permettre une visée suffisamment inclinée par rapport à l'axe longitudinal AC du coeur.According to another important aspect of the present invention, a sensor is used placed near the wall of the tube 183 and designed to allow a sufficiently inclined aiming with respect to the longitudinal axis AC of the heart.
On va décrire ci-dessous trois solutions possibles pour la sonde 100.Three possible solutions will be described below for the probe 100.
Tout d'abord en référence aux figures 2 et 3, on a illustré une sonde 100 donτt le transducteur 101 est incliné d'un angle α, par exemple de l'ordre 15 à 45°, par rapport à l'horizontale, de manière à obtenir une direction d'incidence (direction de visée V) correcte pour recueillir des informations sur les mouvements et dimensions des parois des cavités cardiaques, c'est-à- dire suffisamment en biais par rapport à l'axe longitudinal AC du coeur. Mise à part cette particularité, la sonde 100 peut être réalisée de façon relativement classique et comporter un tube 102, par exemple d'une longueur inférieure ou égale à 15 mm et d'un diamètre de l'ordre de 4 mm, réalisé en un matériau amagnétique tel qu'une matière plastique ou du cuivre, à l'extrémité inférieure duquel est fixé le transducteur incliné 101.First of all with reference to FIGS. 2 and 3, a probe 100 is donated τ t the transducer 101 is inclined at an angle α, for example of the order of 15 to 45 °, relative to the horizontal, so as to obtain a correct incidence direction (aiming direction V) to collect information on the movements and dimensions of the walls of the cardiac cavities, that is to say sufficiently at an angle with respect to the longitudinal axis AC of the heart. Apart from this particularity, the probe 100 can be produced in a relatively conventional manner and include a tube 102, for example of a length less than or equal to 15 mm and a diameter of the order of 4 mm, produced in non-magnetic material such as plastic or copper, at the lower end of which the inclined transducer 101 is fixed.
Le transducteur 101 est en forme de coupelle sphérique pour assurer la focalisation du faisceau d'ultrasons en un point focal F situé de préférence à une distance de l'ordre de 10 à 15 mm dudit transducteur. Le transducteur est constitué par exemple d'un matériau piézo-électrique classique PZT (mélange de plomb, de zirconate et de titanate) et possède des électrodes en argent.The transducer 101 is in the form of a spherical cup to ensure the focusing of the ultrasound beam at a focal point F preferably situated at a distance of the order of 10 to 15 mm from said transducer. The transducer is made for example of a conventional piezoelectric material PZT (mixture of lead, zirconate and titanate) and has silver electrodes.
On peut également envisager d'utiliser comme matériau piézo-électrique du polyfluorure de vinylidèneOne can also consider using polyvinylidene fluoride as the piezoelectric material.
(PVDF) , qui a un rendement électro-acoustique inférieur mais une meilleure réponse impulsionnelle. En 103 est indiquée une fine lame de protection et d'adaptation, collée sur la surface extérieure du transducteur. Un matériau d'amortissement 104 est logé à l'intérieur du tube 102 en arrière du transducteur 101.(PVDF), which has a lower electro-acoustic efficiency but a better impulse response. In 103 is indicated a thin protection and adaptation blade, glued to the exterior surface of the transducer. A damping material 104 is housed inside the tube 102 behind the transducer 101.
Son épaisseur est par exemple de l'ordre de 10 mm. Enfin un petit tube de bronze 105 a un diamètre légèrement inférieur à celui du tube 102 et prolonge ce dernier vers l'arrière sur une longueur de l'ordre de 15 cm. Ce tube 105 tient lieu d'une part de gaine pour des fils électriques 106 reliéfe au transducteur 101 et d'autre part de moyen de manipulation pour déplacer et orienter la sonde 100 en fonction de la position du coeurIts thickness is for example of the order of 10 mm. Finally a small bronze tube 105 has a diameter slightly smaller than that of the tube 102 and extends the latter backwards over a length of the order of 15 cm. This tube 105 takes the place on the one hand of a sheath for electric wires 106 connected to the transducer 101 and on the other hand of manipulation means for moving and orienting the probe 100 as a function of the position of the heart
C au fond du tube 183.C at the bottom of the tube 183.
On a représenté sur les figures 4 et 5 un second mode de réalisation de la sonde 100 à visée inclinée. La sonde 100 est ici une sonde ordinaire, c'est- à-dire qu'elle présente en tant que telle une direction de visée Vo confondue avec son axe et orientée ici essentiellement verticalement. Cette sonde est associée à un miroir acoustique 107 de section triangulaire, dont la face réfléchissante 107a est inclinée d'un angle Θ par exemple de l'ordre de 40 à 60° par rapport à l'horizontale, de manière à renvoyer le faisceau d'ultrasons dans la direction de visée V inclinée en direction du coeur C.FIGS. 4 and 5 show a second embodiment of the probe 100 with inclined view. The probe 100 is here an ordinary probe, that is to say that it has as such a direction of sight Vo confused with its axis and oriented here essentially vertically. This probe is associated with an acoustic mirror 107 of triangular section, the reflecting face 107a of which is inclined at an angle Θ for example of the order of 40 to 60 ° relative to the horizontal, so as to return the beam d in the direction of sight V inclined towards the heart C.
Structurellement, la sonde 100 de la figure 5 est identique à celle de la figure 3, les seules différences étant d'ordre géométrique.Structurally, the probe 100 of FIG. 5 is identical to that of FIG. 3, the only differences being of a geometrical order.
Le miroir acoustique 107 est réalisé dans un matériau réputé pour ses bonnes qualités de réflexion acoustique, et notamment en verre, en poly éthacrylate de méthyle, en cuivre, etc.. Le miroir 107 peut être rendu solidaire de la sonde par une liaison mécanique appropriée telle qu'un ou plusieurs montants (non illustrés) . De préférence, la distance entre le transducteur 101 et le point P situé sur la face 107a à la verticale du centre 0 du transducteur est avantageusement choisi suffisamment grande pour que ladite face 107a puisse réfléchir la totalité du faisceau d'ultrasons.The acoustic mirror 107 is made of a material known for its good qualities of acoustic reflection, and in particular glass, poly methyl ethacrylate, copper, etc. The mirror 107 can be made integral with the probe by an appropriate mechanical connection such as one or more uprights (not shown). Preferably, the distance between the transducer 101 and the point P located on the face 107a vertical to the center 0 of the transducer is advantageously chosen sufficiently large so that said face 107a can reflect the entire beam of ultrasound.
On a représenté sur les figures 6 et 7 une autre variante de réalisation, dans laquelle la sonde 100 est de longueur réduite et disposée perpendiculairement à l'axe du tube 183. Dans le cas où ce dernier présente une épaisseur de paroi substantielle, par exemple de 2 mm, la sonde peut être partiellement* incorporée dans l'épaisseur de cette paroi. A titre d'exemple, la sonde peut avoir un diamètre D de 2 mm et une longueur L de 3 mm, avec un transducteur 101 d'une épaisseur de l'ordre de 0,2 mm et une épaisseur de matériau absorbant 104 de l'ordre de 2,8 mm. Cette dernière épaisseur s'avère suffisante avec un matériau piézo-électrique classique (PZT) dans la mesure où la fréquence est élevée (de l'ordre de 20 MHz). En effet, à de telles fréquences, l'absorption des ultrasons est très forte et l'onde arrière émise dans le matériau 104, qui est susceptible de dégrader la résolution axiale de la sonde, peut être complètement atténuée sur une très courte distance. Il est à noter cependant que l'on peut également utiliser comme matériau piézo-électrique le PDFV qui, nécessitant un matériau absorbant d'impédance acoustique élevée (résonance en λ/4) , peut s'accomoder d'une faible épaisseur pour ce matériau. Dans ce mode de réalisation, les deux fils électriques 106 de liaison avec le transducteur 101 sont avantageusement collés sur la paroi interne du tube 183 avant d'être reliés à un câble coaxial via un connecteur miniature approprié (non représentés) . On a représenté sur la figure 8 le schéma-bloc du module d'échographie temps/mouvement 120.There is shown in Figures 6 and 7 another alternative embodiment, in which the probe 100 is of reduced length and arranged perpendicular to the axis of the tube 183. In the case where the latter has a substantial wall thickness, for example 2 mm, the probe can be partially * incorporated into the thickness of this wall. For example, the probe can have a diameter D of 2 mm and a length L of 3 mm, with a transducer 101 with a thickness of the order of 0.2 mm and a thickness of absorbent material 104 of 1 2.8 mm. This latter thickness proves to be sufficient with a conventional piezoelectric material (PZT) insofar as the frequency is high (of the order of 20 MHz). In Indeed, at such frequencies, the absorption of ultrasound is very strong and the rear wave emitted in the material 104, which is capable of degrading the axial resolution of the probe, can be completely attenuated over a very short distance. It should be noted however that one can also use as piezoelectric material the PDFV which, requiring an absorbent material of high acoustic impedance (resonance in λ / 4), can accommodate a small thickness for this material . In this embodiment, the two electrical wires 106 for connection with the transducer 101 are advantageously bonded to the internal wall of the tube 183 before being connected to a coaxial cable via an appropriate miniature connector (not shown). FIG. 8 shows the block diagram of the time / movement ultrasound module 120.
Un séquenceur logique 121 autonome ou synchronisable par un signal provenant du spectromètre RNM 170 en vue de la séquence alternée RMN/échographie pilote le module 120 et commande en particulier un circuit d'émission 122 destiné à exciter la sonde 100 avec une impulsion de courte durée (afin d'optimiser la résolution axiale de la sonde) et de grande amplitude (150 volts) . Les échos captés par ladite sonde sont appliqués à l'entrée d'un circuit de réception 123 comprenant un préamplificateur 123a, un amplificateur logarithmique 123b et un détecteur 123c La sortie du circuit 123 est appliquée à une première entrée d'un amplificateur-sommateur 124,» dont une seconde entrée reçoit du séquenceur logique 121 des impulsions de référence temporelle et de profondeur, espacées par exemple de 0,5 seconde et de 2,6 μs (2 mm), respectivement, et dont une troisième entrée peut recevoir les signaux de synchronisation du stimulateur 150. Le circuit 124 fournit ainsi à l'enregistreur 130 les signaux utiles, à savoir les échos d'ultrasons, les impulsions du marqueur de temps et de profondeur ou distance ainsi que les impulsions du stimulateur.A logical sequencer 121 autonomous or synchronizable by a signal coming from the RNM spectrometer 170 for the alternating NMR / ultrasound sequence controls the module 120 and in particular controls a transmission circuit 122 intended to excite the probe 100 with a short duration pulse (in order to optimize the axial resolution of the probe) and large amplitude (150 volts). The echoes picked up by said probe are applied to the input of a reception circuit 123 comprising a preamplifier 123a, a logarithmic amplifier 123b and a detector 123c The output of circuit 123 is applied to a first input of an amplifier-summator 124 , ”Whose second input receives from the logical sequencer 121 pulses of time reference and depth, spaced for example by 0.5 second and 2.6 μs (2 mm), respectively, and from which a third input can receive the signals of synchronization of the stimulator 150. The circuit 124 thus supplies to the recorder 130 the useful signals, namely the ultrasound echoes, the pulses from the time and depth or distance marker as well as the stimulator pulses.
La présence des impulsions du stimulateur permet d'effectuer les mesures sur l'enregistrement temps/mouvement établi par l'enregistreur 130 à des instants choisis en fonction de l'état de stimulation du coeur.The presence of the stimulator pulses makes it possible to carry out the measurements on the time / movement recording established by the recorder 130 at instants chosen as a function of the state of stimulation of the heart.
Enfin le module 120 comporte une base de temps 125 déclenchée par le séquenceur 121 et qui assure le balayage horizontal de l'enregistreur.Finally, the module 120 includes a time base 125 triggered by the sequencer 121 and which ensures the horizontal scanning of the recorder.
Résultats expérimentauxExperimental results
Le coeur de rat C, isolé et perfusé, a permis de valider la technique conforme à la présente invention. L'évolution de la pression intra-ventriculaire gaucheThe rat heart C, isolated and perfused, made it possible to validate the technique in accordance with the present invention. The evolution of left intraventricular pressure
(PVG) a été considérée comme l'examen de référence de la fonction contractile.(PVG) was considered the benchmark exam for contractile function.
On va décrire tout d'abord en référence à la figure 9 les paramètres accessibles conformément à l'invention sur l'enregistrement temps/mouvement fourni par l'enregistreur 130 et dont un exemple est représenté sur cette même figure.We will first describe with reference to FIG. 9 the parameters accessible in accordance with the invention on the time / movement recording provided by the recorder 130 and an example of which is shown in this same figure.
Sur cette figure, D et S désignent respectivement les phases de diastole et de systole ventriculaires. Le pourcentage d'épaississement systolique est égal à (Es-Ed)/Ed, la vitesse de contraction systolique (VCS) est égale au rapport a/t, tandis que le sinus de l'angle θ de la pente protosystolique est égal à c/1.In this figure, D and S respectively designate the phases of diastole and ventricular systole. The percentage of systolic thickening is equal to (Es-Ed) / Ed, the rate of systolic contraction (VCS) is equal to the ratio a / t, while the sine of the angle θ of the protosystolic slope is equal to c / 1.
En outre, différents .degrés d'hypoxie myocardique ont été obtenus par réduction contrôlée du débit de perfusion.In addition, different degrees of myocardial hypoxia were obtained by controlled reduction of the infusion rate.
Une réduction de 50% de ce débit entraîne une diminution de 50% de la PVG et de 58% de la vitesse de contraction systolique. Lorsque ce débit est réduit de 75%, la PVG diminue de 75% également tandis que la vitesse de contraction systolique diminue de 61%. Les variations de ces paramètres cardiaques ainsi que d'autres, obtenus par la combinaison de l'analyse échographique et de l'analyse RMN, sont présentées dans le tableau I ci-dessous. En particulier, ce tableau montre la variation relative (par rapport à une référence de 10 ml/mn pour le débit de perfusion) des paramètres métaboliques et mécaniques (sauf pH: valeur absolue) lorsque ce débit est ramené à 5 ml/mn (réduction de 50%, soit une hypoxie modérée) et 2,5 ml/mn (réduction de 75%, soit une hypoxie sévère) .A 50% reduction in this flow rate results in a 50% decrease in PVG and 58% decrease in the rate of systolic contraction. When this flow rate is reduced by 75%, the PVG also decreases by 75% while the rate of systolic contraction decreases by 61%. The variations of these cardiac parameters as well as others, obtained by the combination of ultrasound analysis and NMR analysis, are presented in Table I below. In particular, this table shows the relative variation (compared to a reference of 10 ml / min for the infusion rate) of the metabolic and mechanical parameters (except pH: absolute value) when this rate is reduced to 5 ml / min (reduction 50%, i.e. moderate hypoxia) and 2.5 ml / min (reduction of 75%, i.e. severe hypoxia).
TABLEAU ITABLE I
Débit (ml/mn) 10 2,5Flow rate (ml / min) 10 2.5
Pi PH pCr ATP PVG SinPi PH pCr ATP PVG Sin
S/S+DS / S + D
VCSVCS
Epaississement
Figure imgf000017_0001
Thickening
Figure imgf000017_0001
(*) non calculable(*) not calculable
Un autre modèle phar acologique a été utilisé en mettant en oeuvre un agent à activité inotrope positive, à savoir l'isoprénaline, à une concentration finale de 4.10~3 mg/ml. Les variations des mêmes paramètres que ci-dessus sont présentées dans le tableau II- ci-dessous. La première colonne correspond à des conditions de référence (milieu sans isoprénaline perfusé à 10 ml/mn, tandis que les trois autres colonnes indiquent les variations relatives des paramètres (sauf pH) respectivement au bout de 2 minutes, 6 minutes et 10 minutes. TABLEAU IIAnother phar acological model was used using an agent with positive inotropic activity, namely isoprenaline, at a final concentration of 4.10 ~ 3 mg / ml. The variations of the same parameters as above are presented in Table II below. The first column corresponds to reference conditions (medium without isoprenaline perfused at 10 ml / min, while the other three columns indicate the relative variations of the parameters (except pH) respectively after 2 minutes, 6 minutes and 10 minutes. TABLE II
sans avec isoprénaline (4.10-3 mg/ml) isoprénaline 2 n 6 mn 10 mnwithout with isoprenaline (4.10- 3 mg / ml) isoprenaline 2 n 6 min 10 min
Figure imgf000018_0001
Figure imgf000018_0001
Bien que l'on ait décrit ci-dessus une application pharmacologique in vitro sur un coeur de rat isolé, stimulé et perfusé, il est bien entendu que le champ d'application de la présente invention déborde largement de ce contexte précis.Although an in vitro pharmacological application has been described above on an isolated, stimulated and perfused rat heart, it is understood that the field of application of the present invention goes far beyond this precise context.
En particulier, on pourra combiner une technique échographique ou doppler et une technique RMN entrelacées dans le cadre de la spectroscopie in vivo et 1'imagerie RMN. Plus généralement, l'appareillage RMN peut être du type destiné à l'imagerie corps entier ou comporter une bobine de surface pour des applications de micro-imagerie ou de spectroscopie. Dans ce dernier cas, la sonde d'ultrasons peut être placée sur le patient en tout endroit approprié, et par exemple à côté de l'antenne d'excitation RMN en visant de biais l'organe étudié. Dans tous les cas, l'isolation galvanique de la sonde d'ultrasons est réalisée pendant les phases d'excitation/acquisition RMN, ce qui fait que les perturbations sont minimisées quel que soit le positionnement de la sonde ultrasonore. En corollaire, on réalise également dans ce cas le séquencement entrelacé des acquisitions RMN et ultrasonore.In particular, an ultrasound or doppler technique and an interlaced NMR technique may be combined in the context of in vivo spectroscopy and NMR imaging. More generally, the NMR apparatus can be of the type intended for whole-body imaging or comprise a surface coil for micro-imaging or spectroscopy applications. In the latter case, the ultrasound probe can be placed on the patient at any suitable location, and for example next to the NMR excitation antenna, aiming at the organ under study. In all cases, the galvanic isolation of the ultrasound probe is carried out during the NMR excitation / acquisition phases, which means that disturbances are minimized whatever the positioning of the ultrasonic probe. As a corollary, we In this case, the interlaced sequencing of the NMR and ultrasound acquisitions is also carried out.
Par ailleurs, bien que l'on ait décrit ci-dessus des moyens interrupteurs pneumatiques pour isoler la sonde d'ultrasons, tout autre moyen remplissant la même fonction peut être utilisé. En particulier, des moyens électroniques ou opto-électroniques peuvent être utilisés.Furthermore, although pneumatic switch means have been described above for isolating the ultrasound probe, any other means fulfilling the same function can be used. In particular, electronic or opto-electronic means can be used.
Enfin on mentionnera que 1'invention peut s'appliquer avec des techniques ultrasonores de type quelconque. On a mentionné ci-dessus 1'échographie temps/mouvement, mais on peut utiliser également, par exemple, la technique doppler, qui permet en particulier de mesurer les vitesses de flux sanguins ou analogues. Enfin l'homme de l'art saura imaginer toute autre variante ou modification conforme à l'esprit de 1'invention. Finally, it will be mentioned that the invention can be applied with ultrasonic techniques of any type. Time / movement ultrasound has been mentioned above, but it is also possible to use, for example, the doppler technique, which makes it possible in particular to measure the speeds of blood flow or the like. Finally, those skilled in the art will be able to imagine any other variant or modification in accordance with the spirit of the invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation pour l'investigation sur des données médicales, biologiques et analogues, du type comprenant un appareil d'analyse ultrasonore comportant une sonde (100) d'émission/réception d'ultrasons et un appareil d'analyse par résonance magnétique nucléaire comportant des moyens (181) pour établir un champ magnétique essentiellement constant et une sonde (182) d'émission-réception d'un champ électromagnétique radiofréquence, la sonde d'ultrasons étant disposée au voisinage de ladite sonde de champ radiofréquence, installation caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de cadencement pour alternativement activer 1'émission/réception des ultrasons et l'émission/réception du champ radiofréquence, ainsi que des moyens (140) pour isoler galvaniquement la sonde d'ultrasons pendant l'activation de l'émission/détection du champ radiofréquence.1. Installation for the investigation of medical, biological and similar data, of the type comprising an ultrasonic analysis apparatus comprising an ultrasound emission / reception probe (100) and a nuclear magnetic resonance analysis apparatus comprising means (181) for establishing an essentially constant magnetic field and a radiofrequency electromagnetic field transmission-reception probe (182), the ultrasound probe being arranged in the vicinity of said radiofrequency field probe, installation characterized in that that it includes timing means for alternately activating the transmission / reception of ultrasound and the transmission / reception of the radiofrequency field, as well as means (140) for galvanically isolating the ultrasound probe during activation of the radio frequency field emission / detection.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de cadencement comprennent une liaison (175) pour un signal de synchronisation entre un module de traitement (170) de l'appareil d'analyse par résonance magnétique nucléaire et un module de traitement (120) de l'appareil d'analyse ultrasonore. 2. Installation according to claim 1, characterized in that the timing means comprise a link (175) for a synchronization signal between a processing module (170) of the analysis apparatus by nuclear magnetic resonance and a module treatment (120) of the ultrasonic analysis apparatus.
3. Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les moyens d'isolation galvanique comprennent un interrupteur pneumatique (140) apte lorsqu'il est ouvert-' à assurer une écartement important des contacts. 3. Installation according to one of claims 1 and 2, characterized in that the galvanic isolation means comprise a pneumatic switch (140) adapted when open- 'to ensure a large spacing of the contacts.
4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'appareil d'analyse ultrasonore (120) opère une échographie temps/mouvement à fréquence élevée. 4. Installation according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ultrasonic analysis device (120) operates a time / movement ultrasound at high frequency.
5. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'appareil d'analyse ultrasonore (120) opère par effet doppler.5. Installation according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ultrasonic analysis device (120) operates by doppler effect.
6. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'appareil d'analyse par résonance magnétique nucléaire (170) opère selon une technique choisie dans le groupe de la spectroscopie du phosphore 31, la spectroscopie du carbone 13 et l'imagerie RMN. 6. Installation according to one of the preceding claims, characterized in that the nuclear magnetic resonance analysis apparatus (170) operates according to a technique chosen from the group of phosphorus spectroscopy 31, spectroscopy of carbon 13 and l NMR imagery.
7. Installation selon l'une des revendications précédentes, pour l'investigation sur des données métaboliques et mécaniques in vitro sur un organe tel qu'un coeur animal (C) perfusé et stimulé contenu dans un tube (183) logé dans la sonde (182) de l'appareil de résonance magnétique nucléaire, caractérisée en ce que la sonde d'ultrasons est une sonde échographique qui émet et reçoit les ultrasons selon une direction de visée (V) sensiblement inclinée par rapport à l'axe (A) du tube.7. Installation according to one of the preceding claims, for the investigation of metabolic and mechanical data in vitro on an organ such as an animal heart (C) perfused and stimulated contained in a tube (183) housed in the probe ( 182) of the nuclear magnetic resonance apparatus, characterized in that the ultrasound probe is an ultrasound probe which emits and receives the ultrasound in a viewing direction (V) substantially inclined relative to the axis (A) of the tube.
8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la sonde échographique (100) est disposée verticalement à proximité d'une des parois du tube (183) et en ce qu'elle comporte à son extrémité inférieure un transducteur piézo-électrique (101) incliné dans son ensemble par rapport à un plan horizontal. 8. Installation according to claim 7, characterized in that the ultrasound probe (100) is arranged vertically near one of the walls of the tube (183) and in that it comprises at its lower end a piezoelectric transducer ( 101) inclined as a whole with respect to a horizontal plane.
9. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la sonde échographique (100) est disposée verticalement à proximité d'une des parois du tube (183), en ce qu'elle comporte à son extrémité inférieure un transducteur pi^ézo-électrique (101) disposé dans son ensemble horizontalement et en ce qu'il est prévu au-dessous de la sonde un miroir acoustique (107) comportant une surface réfléchissante inclinée (107a) .9. Installation according to claim 7, characterized in that the ultrasound probe (100) is arranged vertically near one of the walls of the tube (183), in that it comprises at its lower end a pi ^ ezo- transducer electric (101) arranged as a whole horizontally and in that there is provided below the probe an acoustic mirror (107) having an inclined reflecting surface (107a).
10. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la sonde échographique (100) est disposée horizontalement dans le tube (183) et est au moins partiellement encastrée dans une paroi latérale de celui-ci.10. Installation according to claim 7, characterized in that the ultrasound probe (100) is arranged horizontally in the tube (183) and is at less partially embedded in a side wall thereof.
11. Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de cadencement définissent en alternance une phase de résonance magnétique nucléaire comprenant une excitation et une acquisition résultante et une phase d'analyse ultrasonore comprenant une excitation et une acquisition résultante. 11. Installation according to one of the preceding claims, characterized in that the timing means alternately define a nuclear magnetic resonance phase comprising an excitation and a resultant acquisition and an ultrasonic analysis phase comprising an excitation and a resultant acquisition.
12. Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que la phase de résonance magnétique nucléaire a une durée de l'ordre de 400 ms et la phase d'analyse ultrasonore a une durée de l'ordre de 600 ms. 12. Installation according to claim 11, characterized in that the nuclear magnetic resonance phase has a duration of the order of 400 ms and the ultrasonic analysis phase has a duration of the order of 600 ms.
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