MNR Instrumentation Marie POIRIER-QUINOT IR4M Laboratoire d’Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et multi modalités. UMR 8081CNRS-Université Paris XI. France
MNR Instrumentation
Magnet Gradients RF system Marie Poirier-Quinot - Cargèse école d’été NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
0.1 T à 23 T
55 mT/m – whole body imaging system 400 mT/m –NMR spectrometer
0.1 mT à 1 mT (ω0=γB0)
Cagèse 2013
2
Instrumentation en RMN
Magnet Gradients
• • • • •
ResisFve Permanent SuperconducFng Shimming shielding
RF system Marie Poirier-Quinot - Cargèse école d’été NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
3
Magnets– order pf magnitude 1 tesla (T) = 10 000 gauss (G) Champ magnétique terrestre : BT ≈ 0.5 G 1 tesla ≈ 20 000 BT NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
4
Resistive magnet < 0.2 T Iron core jusqu’à 2.35T – 1H 100 MHz (XL 100 Varian) RPE ( en bande X, 10 GHz) Air core resistive (Helmoltz coil pair) jusqu’à 0.5 T – 1H 21.28 MHz 0.1 T U2R2M/IR4M/IEF
++ low capital cost, easily coil
maintenance, light weight, can be shut off -- high power consumption, water cooling required, significant fringe field, temperature shift (è shift de B0 è shift of Larmor frequency) NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
5
XL 100 Varian
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
6
Resistive magnet : B0 ≤ 0,40 T
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Permanent magnet 0.35 T – 1H 14.89 MHz ++ low capital cost, low operating cost, small fringe field -- limited field, very heavy, not mobile compatible, B0
inhomogeneity,
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
8
Aimant Permanent : B0 ≤ 0,35 T
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Magnet superconducting Supracondor (Nibium Titanium)
Cooling @ 4K (Liquid He) Whole body clinical system – 1.5 T – 1H
64 MHz NMR spectrometer – 23.5 T – 1H 1 GHz
++ high field strength, homogeneity, low power consumption, high SNR -- high capitol costs, high cryogen costs (and access)
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
10
Superconducting magnet: B0 = 1.5 T
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
12
2000 : NMR spectrometer 900 MHz (21 T)
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
NMR - 900MHz - 21.2 Tesla
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
14
exercice
Magnets in few calculs 10 cm
B0 = 10 T I= 100 A 30 cm
Nb of loops? Stored Energy?
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
15
Magnets- Brüker
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
16
Shimming the magnet– homogénéité (ppm) POURQUOI???? (T2, distorsions, homogeneity) Clinical MRI few ppm over a volume of Ø 50 cm High resolution spectroscopy: 1 ppm over a volume of Ø 5 mm
è Passive Shimming: small pieces of metal used to shape the field è Active Shimming : shimming coils: polarized field produced in the B0 direction, with a spatial dependance ( linéaire, quadratic) …
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
17
Instrumentation en RMN
Magnet Gradients
55 mT/m – imageur corps enFer 400 mT/m – spectromètre RMN Shimming + localizaFon
RF system Marie Poirier-Quinot - Cargèse école d’été NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
18
Three orthogonal Gradients
Net gradient = (Gx2+Gy2+Gz2)1/2 SMRT, vol.14, n.3 NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
exercice
Gradients - Gz
∂BZ Gz = ∂z
B0 SMRT, vol.14, n.3 NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Gradients – Gy, Gx ∂BZ Gy = ∂y
∂BZ Gx = ∂x
B created along x generated a z gradient NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
B0 Cagèse 2013
Bobines de gradient
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Gradients of 23mT/m in 180µs ; 60cm bore
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Gradient
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Gradients properties Alimentation: 100V, 100A Peak amplitudes Clinique (whole body system) 55mT/m Small bore (diamètre < qq cm) 400mT/m
Slew rate: de 5mT/m/msec to 270 mT/m/
msec
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
26
Instrumentation en RMN
Magnet Gradients RF system
Marie Poirier-Quinot - Cargèse école d’été NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
-‐ emision/transmission channel – noise figure -‐ tuning and mathing -‐ RF probe Cagèse 2013
27
Transmission/Reception
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
28
Transmission/Reception RF probe L
TX
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
RX préamp
Cagèse 2013
29
Transmission RF probe L
TX
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
RX préamp
Cagèse 2013
30
Transmission Impulsions: • Selective or not • Phase Power : (cf RF probre) • 30kW – 1H @ 500 MHz • 300W – X @ 500 MHz • 10kW imaging (1.5T – 64 MHz) RF – radiofrequence
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
31
Reception RF probe L
TX
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
RX préamp
Cagèse 2013
32
Reception Detection via RF probe Power : (cf RF probre) • pW or nW noiseless Preamplifier Digitalization (ADC)
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
33
Préamplifier – noise figure input
output
Quadripôle
F – noise figure
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
34
Préamplifier – noise figure Se R @ Tref
Quadripôle Gain G
Ne - input noise of a resistance @ Tref=293K
R @ TN Np: quadripole noise
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
35
R @ T = input noise figure
R @ Tref
R @ (Tref+TN ) TN : effective noise temperature
Agilent Y method NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
36
Preamplifier noise figure
Noise power measurement
R @ (T+TN ) Thot et Tcold
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
37
Some order of magnitude standard préamplifier: NF = 2dB (1.58) low noise preamplifier: NF = 0.7dB (1.17) Pertes dans les câbles: @ 200 MHz : 0.5 dB/m @ 1 GHz : 1dB/m
P0
Quadripôle
P1
XdB=10.log10(P1/P0) NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
38
Matching - reception channel RF probe L
préamp
e Ztot
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Vp
Zp
Cagèse 2013
39
e Ztot
matching
Vp
Zp
Maximum RMN power (~e2) transmitted to the preamplifier (Zp)
Relfexion coefficient
Zp NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Ztot Cagèse 2013
40
exercice
Matching and dismatching
Power transmitted?
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
41
Appareils de mesure Domaine temporel Oscilloscope
tensions
Domaine fréquentiel
TDR
Analyseur de spectre
Time Domain Reflectometry Oscilloscope + Générateur ondes de tension
Analyseur de réseau
tensions puissances
ondes de tension
Générateurs Domaine Temporel Impulsions Echelons Sinus Carrés NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Domaine fréquentiel Source sinusoïdale balayée en fréquence Cagèse 2013
42
Principe de l’analyseur de réseau Onde incidente
Onde transmise (S21) Dispositif Coupleur directif
Sous Test
DST Générateur
Détecteur
balayé en fréquence (Synthétiseur)
Détecteur NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Onde réfléchie (S11)
Cagèse 2013
43
Paramètres S / Matrice S • Dérivation des paramètres S à partir des courants et tensions I1
I2
V1
a1 =
V2
V1 + Z c I1 2 Re[Z c ]
Zc
b1 =
V1 − Z c I1* 2 Re[Z c ]
a1
b2
b1
a2
a2 =
V2 − Z c I 2 2 Re[Z c ]
b2 =
V2 + Z c I 2* 2 Re[Z c ]
: impédance arbitraire prise comme référence
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
44 44
Paramètres S / Matrice S
• Ondes incidentes / réfléchies
• Matrice S
a1
b2
b1
a2
⎡ b1 ⎤ ⎡ S11 S12 ⎤ ⎡ a1 ⎤ ⎢b ⎥ = ⎢S ⎥ ⎢a ⎥ S 22 ⎦ ⎣ 2 ⎦ ⎣ 2 ⎦ ⎣ 21 b1 = S11a1 + S12 a2 b2 = S 21a1 + S 22 a2
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
45
Paramètres S / Matrice S • Signification physique des paramètres S
⎡ b1 ⎤ Facteur de réflexion à l’entrée, la sortie étant adaptée S11 = ⎢ ⎥ ⎣ a1 ⎦ a2 =0
Coefficient de réflexion à l’entrée d ’un dispositif
⎡ b2 ⎤ Facteur de transmission entrée sortie, la sortie étant adaptée S21 = ⎢ ⎥ ⎣ a1 ⎦ a2 =0 Gain d’un amplificateur ⎡ b2 ⎤ S 22 = ⎢ ⎥ Facteur de réflexion en sortie, l’entrée étant adaptée ⎣ a2 ⎦ a1 =0
⎡ b1 ⎤ S12 = ⎢ ⎥ Facteur de transmission sortie entrée, l’entrée étant adaptée ⎣ a2 ⎦ a1 =0 NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
46
Matching – coaxe câble Impedance transformation through the BNC cable • Frequency dependant • cable lenght dependant • caracterstic impdeance dependant
Zc
Ztot Ztot=Zp
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Ztot2≠Zp
Cagèse 2013
47
Transmission/Reception - matching RF probe
Zc Zc, L=λ/4
TX
RX
Ztot
préamp
Ztot=Zp
Ztot2≠Zp
Zc ≠ Zp ??? è Standing wave è SWR or TOS= Pr/Pt NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
48
Transmission line
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
49
Special Cases to Remember VNA? A: Terminated inZo Zs
Zo
Vs
Zo
ρ = Zo Zo = 0 Zo + Zo
B: Short Circuit Zs
ρ = 0 Zo = -1 0 + Zo
Zo
Vs
C: Open Circuit Zs
Zo
Vs
ρ=
∞ - Zo =1 ∞ + Zo
D: length λ/4 Zs Vs NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Zl=(ZsZo)1/2 = Zo Zo
Zl
ρ = Zl Zo = 0 Zl + Zo Cagèse 2013
exercice
Matching and dismatching
TOS ?? NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
51
Mismatching – SWR – additionnal loss
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
52
RF Probe
Luc Darrasse NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
53
But de l’antenne Radio Fréquence Émission: création d’un champ B1 tournant à ω0 à l’aide d’antenne RF è dans le volume utile de l’échantillon è Homogène è Avec une puissance dissipée minimale
Réception : du voltage induit par l’aimantation tournante M è signal maximal à la fréquence de Larmor è bruit de l’antenne et de l’échantillon minimum (pertes électriques et magnétiques) Signal RMN :
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Densité spectrale de bruit :
Cagèse 2013
54
RF probe RLC circuit LCω02=1 Quality factor Q = Lω0/R Unloaded or loaded Q are different
Tuning and matching
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
55
RF probe
NMR instrumentation Thèse Magdalena Couty – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
56
RF probe
NMR instrumentation Thèse Magdalena Couty – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
57
Tuning and matching e Ztot
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Vp
Cagèse 2013
Zp
Tuning and matching Typical probe head (Slotted tube resonator)
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
10mm proton 500 MHz
Cagèse 2013
Tuning and matching Equivalent electrical circuit
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Tuning and matching Dielectric loading effect
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Tuning and matching
Cambridge Isotope Laboratories, Inc. Poirier-Quinot www.isotope.com NMR instrumentation – Marie
Cagèse 2013
Tuning and matching
Probe 5mm proton deuterated solvent (tests samples)
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Tuning and matching
QE = 186 QAC = 185 QCDCl3 = 183 QD2O = 183 QDMSO = 183
Sensitivity losses Mismatch (reactance ≠ 0) SWR increases
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Tuning and matching Connecting the probe to the spectrometer. Optimization of power transfer
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
Tuning and matching
CM NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
CT Cagèse 2013
Tuning and matching
NMR instrumentation – Marie Poirier-Quinot
Cagèse 2013
67
Tuning and matching Loading by a conductive sample (biological sample in water + buffer)
D2O + NaCl D2 O No shift (same dielectric constant), but broadening
