Développer des alimentations à découpage compatibles avec l’environnement extrême d’un équipement d'IRM est un véritable défi. Les fabricants, comme ici Powerbox, doivent explorer de nouvelles approches conjuguant des topologies de conversion et des technologies numériques avancées.

Patrick Le Fèvre (crédit PRBX).

Par Patrick Le Fèvre, directeur du marketing et de la communication, Powerbox (PRBX)

Dans le domaine de l'imagerie par résonance magnétique (IRM), les alimentations électriques doivent à la fois fonctionner au sein de champs magnétiques très puissants et ne pas perturber elles-mêmes les systèmes sensibles.

Un équipement IRM produit un champ magnétique principal (B0) orienté dans le sens de l'axe principal du scanner (axe Z). Selon l'application, son intensité est comprise entre 0,5 et 6 teslas (T), voire 11,7 T pour le Neurospin utilisé dans les recherches sur le cerveau (234 000 fois le champ magnétique terrestre), et jusqu’à 20 T pour la spectroscopie. Ce champ B0 provoque, dans le corps, un alignement des protons des atomes d’hydrogène qui crée un vecteur magnétique le long de l'axe Z.

Au champ B0 s’ajoutent des gradients de champ (B1) et un champ radio (RF). Les gradients de champ sont produits selon les trois axes X, Y et Z, avec des fréquences pulsées d'environ 100 KHz et une intensité pouvant descendre à quelques mT/m. Quant au champ RF, qui sert à dévier le vecteur magnétique, il est produit par une bobine sur les axes X et Y, dans une gamme de fréquences comprise entre 64 et 299 MHz, avec des intensités de l'ordre du micro-tesla. Lorsque la source RF est coupée, le retour du vecteur magnétique à son état antérieur provoque l'émission d'un signal (en ondes radio également). C'est ce signal, capté par des bobines de réception, qui sert à créer les images de résonance magnétique.

Pour éviter toute interférence, l’idéal consiste à n'utiliser que des tensions et courants continus pour l'alimentation des systèmes IRM. C’est ce qui se faisait dans les équipements d’ancienne génération, mais au prix d'un très faible rendement énergétique et d’une forte dissipation d'énergie. Pour répondre aux besoins de puissance et d'une meilleure utilisation de l'énergie, les équipements de nouvelle génération ont adopté des régulateurs à découpage. Ce type d’alimentation représente une source de perturbation potentielle, particulièrement critique au sein du champ B0 ou à proximité.

Impact des appareil d'IRM sur l’alimentation à découpage

Toute alimentation à découpage intègre au moins une bobine et un noyau, généralement en ferrite. Le champ B0, qui interagit directement avec les composants ferromagnétiques, conduit à la saturation de ces noyaux et à l'impossibilité d'un transfert d'énergie, voire à un court-circuit.

Pour répondre aux défis de l’alimentation des scanners IRM, PXBX a développé une alimentation (GB350) à noyaux d’air dont la fréquence de découpage fondamentale est de 600 kHz. Grâce à un mode d'entrelacement à 4 phases, elle fonctionne à une fréquence de sortie résultante de 2,4 MHz, au profit d’un filtrage plus facile et de temps de réponse ultra-courts pour la régulation.Apparent sur la photo ci-dessus, un blindage de protection contre les émissions EMI réduit les émissions diffusées et évite tout risque d’artefact.

Quant aux gradients de champ, leur fréquence de 100 kHz, très proche de la fréquence de découpage moyenne des alimentations classiques, induit un "effet d'emballement du courant" dans les câbles et les zones conductrices. Il en résulte une distorsion des signaux, de la chaleur et souvent la mise en court-circuit des composants chargés du découpage.

Moins néfaste pour l’alimentation du fait de sa fréquence plus élevée, le champ RF peut néanmoins provoquer le même genre de problèmes au travers de courants induits.

Impact de l'alimentation à découpage sur l’IRM

Les pics de tension de commutation de l'alimentation à découpage peuvent impacter l’acquisition des signaux, avec l'apparition d’artefacts affectant la qualité et la résolution de l'image.

En outre, la proximité entre la fréquence de commutation de l’alimentation et celle des gradients de champ B1 peut créer des interférences avec le signal produit par la boucle de gradient, et donc une modification du signal codé, conduisant également à des artefacts dans l'image.

La qualité de l’image risque aussi d'être diminuée à cause des harmoniques de l'alimentation susceptibles d’interférer avec la boucle des bobines RF.

Une solution qui passe par un contrôle numérique avancé

Au regard de ces considérations, il est évident qu’il faut exclure tout composant ferromagnétique de l’alimentation et faire en sorte que sa fréquence de découpage n'interfère pas avec les signaux d’IRM.

Il convient donc de se tourner vers des inducteurs à noyau d’air, dont les faibles valeurs d'inductance obligent à réaliser plusieurs étages d'alimentation fonctionnant en parallèle. Le contrôle de ces différents étages nécessite de recourir à des technologies numériques avancées, pour une flexibilité maximale de fonctionnement des différents canaux. Cela permet notamment aux concepteurs d’adapter le profil de l'alimentation à des conditions spécifiques.

A l'avenir, les systèmes utilisant des champs magnétiques ultra-intenses, dotés de capteurs de nouvelle génération, vont nécessiter des sources d'alimentation capables d'effectuer des commutations à 25 MHz pour éviter les harmoniques dans la bande de sécurité.

Une version plus détaillée de cet article peut être consultée en suivant ce lien (PDF).

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