Développement d’un spectromètre RMN à partir d'instruments modulaires PXI

Author(s):
Christian Goetz - Laboratoire de Biomécanique de l'Hôpital de Hautepierre de Strasbourg

Industry:
Food/Beverage, Life Science, University/Education, Research, Medical/ Medical Instrumentation

Products:
High-Speed Digitizers, Data Acquisition, Multifunction DAQ, LabVIEW, Modular Instruments

The Challenge:
Développer un spectromètre RMN/IRM, peu coûteux et évolutif, pour piloter des installations fonctionnant à bas champ magnétique (du mT à 0,5 Tesla).

The Solution:
Utiliser LabVIEW pour développer une application composée d'un générateur de fonctions arbitraire, de cartes d'acquisition de données et d’un numériseur, tous intégrés dans un PC ou dans un châssis PXI.

Les spectromètres RMN/IRM (Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire) du marché sont constitués d’éléments complexes développés spécifiquement ; ce qui explique en partie leur coût élevé et constitue une limite au développement d’applications RMN/IRM fonctionnant à bas champ magnétique.
De plus, ces ensembles, peu évolutifs, peuvent difficilement être adaptés à des applications plus spécifiques.
Les applications développées au sein du Service de Biophysique et Médecine Nucléaire de l'Hôpital de Hautepierre vont de la relaxométrie à bas champ, à l’imagerie du petit animal de laboratoire et à celle de produits de l’industrie agro-alimentaire (contrôle de qualité non destructif). Autour de ce spectromètre, nous avons par ailleurs développé un système complet destiné à l’enseignement de la RMN et de l’IRM, au travers de travaux pratiques.

Les mesures RMN reposent sur l’enregistrement des signaux radiofréquence (réception) émis par un échantillon placé dans un champ magnétique homogène lors du retour à un état d’équilibre après perturbation par une impulsion radiofréquence (émission). Le codage spatial nécessaire à l’obtention d’une image est assuré par trois circuits créant des variations linéaires de champ magnétique dans les trois directions de l’espace (gradients de champ magnétique) appliqués séquentiellement durant l’acquisition.


Mise en œuvre
Autour d'une source de champ magnétique résistive à 0,1 T et d'un système de gradients adaptés, nous avons développé un spectromètre basé sur un système PXI piloté par un PC via une liaison haute vitesse. Il existe également une version basée sur les mêmes instruments, mais sous forme de cartes PCI enfichées dans un PC. Nous nous intéresserons ici uniquement au système PXI, qui fait appel à un châssis blindé (PXI-1000B), dans lequel sont intégrés :
· un module PXI-5411 (générateur arbitraire 40 Méch./s) pour l'étage d'émission (génération d'impulsions répétitives) et la synchronisation des autres modules
· un module PXI-6711 (quatre sorties analogiques synchrones) pour les signaux de synchronisation externe et le pilotage des trois gradients
· un module PXI-5102 (numériseur 20 Méch./s) pour l'étage de réception (numérisation directe du signal RMN)
· des modules PXI-6040E et PXI-6711 supplémentaires pour l'interface avec divers éléments externes (électrocardiogramme, dispositifs vibrant d'élastographie…).

À noter que si le système à base de cartes PCI utilise les mêmes instruments et fonctionne de façon identique au système à base de modules PXI, la fonction de numérisation du signal RMN y est remplie par une carte PCI-5911 (numériseur 100 Méch./s à résolution variable).

L’application, développée intégralement à partir de l'environnement LabVIEW, permet le contrôle des différents matériels d’entrée/sortie, la programmation de tous les éléments d’une séquence de relaxométrie RMN et d’imagerie, l’affichage en temps réel des signaux de pilotage et des signaux acquis, et enfin la reconstruction et l’enregistrement des images (TIFF). En imagerie bas-champ, les performances sont comparables à celles des spectromètres classiques, avec notamment une résolution typique de 500 microns par pixel.

Lors du développement, nous avons apprécié l’interface et la programmation graphique de LabVIEW qui permet de suivre le flux des données à toutes les étapes. Nous avons ainsi pu développer rapidement une interface conviviale et réactive malgré la complexité des étapes de traitement RMN sous-jacentes.

Résultats
Le spectromètre ainsi développé permet d’aborder toutes les mesures relaxométriques, la programmation et l’utilisation des séquences classiques d’imagerie. Son usage s’est montré particulièrement adapté aux séances d’enseignement que nous avons organisées.
Il a montré pour nos applications à bas-champ des performances comparables aux spectromètres standards, mais avec une plus grande facilité d’utilisation.
Enfin, les caractéristiques de l’ensemble sont évolutives par simple ajout ou remplacement des modules PXI, ce qui permet une grande facilité d’adaptation y compris dans le développement d’applications RMN complexes intégrant la synchronisation et/ou le pilotage de dispositifs externes (ECG, respirateur, excitateurs mécaniques, électrovannes…).

Novembre 2005

Author Information:
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Christian Goetz
Laboratoire de Biomécanique de l'Hôpital de Hautepierre de Strasbourg
Service de Biophysique et Médecine Nucléaire Hôpital de Hautepierre
Strasbourg 67098
FR
Tel: 03 88 12 71 66
christian.goetz@tiscali.fr

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