Academic literature on the topic 'Imagerie par résonance magnétique à très bas champ'

The aim of this thesis is to perform Magnetic Resonance Imaging at very low field (from 1 mT to 10 mT). A new kind of sensor called "mixed sensor" has been used to achieve a good detectivity at low frequencies. Combining a superconducting loop and a giant magnetoresistance, those detectors have a competitive equivalent field noise compared to existing devices (Tuned coils, SQUIDs and Atomic Magnetometers). They have been combined with flux transformers to increase the coupling between the sample and the sensor. A complete study has been performed to adapt it to mixed sensors and then maximize the gain. This set has been incorporated in an existing small MRI device to test its robustness in real conditions. In parallel, several MRI sequences (GE, SE, FLASH, EPI, ...) have been integrated and adapted to very low field requirements. They have been used to perform in-vivo three dimensional imaging and relaxometry studies on well known products to test their reliability. Finally, a larger setup adapted for full-head imaging has been designed and built to perform images on a larger working volume.

Le trouble bipolaire est un trouble de l'humeur récurrent affectant de 1 à 3% de la population adulte à travers le monde et ayant une comorbidité importante avec une hausse du taux de suicides, l'abus de drogues et d'autres troubles médicaux. Ce trouble semble avoir plusieurs liens avec la schizophrénie et une vulnérabilité au trouble est souvent héréditaire dans une famille. Même si les causes biologiques n'ont pas encore été établies, de nombreuses anomalies dans le système limbique sous-cortical et la zone préfrontal ont été observés.Depuis sa découverte il y a plus d'un demi-siècle, une prise de sels de Lithium a été le traitement le plus fiable, mais l'action biochimique du Lithium sur le cerveau et le pourquoi de l'efficacité du traitement reste un mystère. Afin de pouvoir mieux comprendre cet effet, nous avons développé des séquences d'imagerie du Lithium-7 via résonance magnétique à 7 et 17 Tesla afin de pouvoir établir sa distribution et concentration cérébrale. Spécifiquement, j'ai travaillé sur le développement et la validation des méthodes d'acquisition, de reconstruction et de quantification de notre protocole. Ces méthodes ont d'abord été appliqués afin d'étudier la distribution cérébrale du Lithium sur des cerveaux de rats ex-vivo. Ces rats étés traités pendant 28 jours avec du Li2CO3, sacrifiés et leurs têtes fixés avec du PFA. En utilisant une antenne surfacique double canaux 1H/7Li fait maison, une acquisition 7Li Turbo Spin echo et une méthode de remplacement par fantôme pour la quantification, nous avons pu mesurer les cartes de concentration du Lithium. Les concentrations moyennes obtenus dans des régions d’intérêt prédéfinis ont été mesurés afin de les comparer avec les résultats obtenus par spectrométrie de masse.Après cette étude préclinique qui a permis de valider notre approche, un protocole similaire fut créé pour une étude in-vivo 7Li d'imagerie par résonance magnétique chez des patients bipolaires euthymiques sur un scanner 7T. Ces individus ont tous suivis un traitement régulier de Lithium. Pour cette étude, nous avons utilisé une séquence Steady State Free Precession à TE ultra-court et avec un échantillonnage du k-space non-cartésien. Un pipeline de quantification et d'analyse similaire à celle utilisé pour notre étude préclinique fut appliqué pour cette étude, avec l'ajout d'une étape de correction pour les inhomogénéités de B0. Après avoir fait une analyse statistique au niveau de toute la cohorte par régions d'intérêt, il a été observé que l'hippocampe gauche, une part majeur du système limbique associé au trouble bipolaire à de multiples occasions, possède systématiquement une haute concentration de Lithium. Finalement, la méthode de quantification fut modifiée en quantification bi-compartimentale afin de prendre en compte les différences dans les taux de relaxation du Lithium dans le CSF et dans le parenchyme du cerveau. Cette méthode fut appliqué afin de pouvoir quantifier le Lithium à 7T dans un sous-groupe des patients bipolaires et radicalement réduire les différences initialement observés entre les séquences SSFP et bSSFP
Bipolar disorder is a chronic affective disorder affecting 1 to 3% of the adult population worldwide and has a high level of comorbidity with suicide rates, substance abuse and other harmful conditions. The disorder has possible ties to schizophrenia and has been observed to have a strong genetic component. The exact biological underpinnings have not been firmly established, however abnormalities in limbic subcortical and prefrontal areas have been observed.Ever since its discovery more than half a century ago, a daily intake of Lithium salts has arguably become the most reliable treatment of the disorder, despite us possessing little to no understanding of its biochemical action. In order to shed some light on the effect of Lithium in the brain, we have developed Lithium-7 MR imaging at 7 and 17 Tesla in order to assess its cerebral concentration and distribution. Specifically, I worked on developing and validating several acquisition, reconstruction and quantification methods dedicated to 7Li MRI and MRS. Those methods were first applied to study ex vivo the cerebral distribution of lithium in rats. These rats were pretreated for 28 days with Li2CO3, sacrificed and their head fixated with PFA. Using a home-made 1H/7Li radiofrequency surface coil and a 7Li Turbo Spin echo acquisition and a modified phantom replacement method for quantification, we were able to measure Li concentration maps. Regional Li concentration values were then compared with those obtained with mass spectrometry.After this preclinical proof-of-concept study, an in vivo 7Li MRI protocol was designed to map the cerebral Li concentration in euthymic bipolar subjects at 7T. These individuals all followed a regular lithium treatment. For this study, we chose to use an ultra-short echo-time Steady State Free Precession sequence with non-Cartesian k-space sampling. A quantification and analysis pipeline similar to the one used for our preclinical study was applied for this study, with the addition of a correction step for B0 inhomogeneities. After conducting a statistical analysis at the cohort level, it was assessed that the left hippocampus, a major part of the limbic system that has been associated with BD on multiple occasions, exhibited systematically a high level of lithium. Finally, I developed a quantification method accounting for the different relaxation times of 7Li in the CSF and in the brain parenchyma. This method was applied to image lithium at 7T in a subset of bipolar patients reducing drastically the differences initially observed between the SSFP and bSSFP sequences

Cette thèse porte sur l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) à bas champ (0,2 T). L'Elastographie par Résonance Magnétique permet de retrouver les propriétés viscoélastiques des tissus par imagerie d'ondes acoustiques transverses. Pour la partie suivante, un transducteur ultrasonore a été calibré en comparant la méthode de la balance et l'interférométrie laser. Puis, il a été tenté de modifier le contraste T1 des tissus par interaction spin-phonon due à l'application d'ultrasons à la fréquence de Larmor. Aucune modification n'a été obtenue, mais un courant acoustique a été observé. La visualisation de ce courant permet de calibrer les transducteurs et de retrouver certaines propriétés des liquides. La dernière partie était consacrée à la mise en place d'expériences de Polarisation Dynamique Nucléaire, basée sur le transfert de polarisation d'électrons non-appariés de radicaux libres vers les protons de l'eau. Un gain en signal RMN d'un facteur 30 a été obtenu sur des nitroxydes
This thesis deals with low field (0. 2 T) Magnetic Resonance Imaging (MRI). Magnetic Resonance Elastography allows to assess some viscoelastic properties of tissues by imaging of acoustic strain waves. In the next part, an ultrasonic transducer was calibrated using the comparison of the balance method and laser interferometry. Then, it was tried to modify the T1 contrast of tissues by spin-phonon interaction due to the application of ultrasound at the Larmor frequency. No modification was obtained, but an acoustic streaming was observed. The visualization of this streaming makes possible to calibrate transducers and to assess some properties of liquids. The last part was dedicated to set up Dynamic Nuclear Polarization experiments, based on the polarization transfer of unpaired electrons of free radicals to the protons of water. An enhancement of the NMR signal by a factor 30 was obtained on nitroxides

L'experience a ete concu pour l'etude de la supraconductivite dans des systemes a fermions lourds, qui est probablement de nature non conventionnelle. Leurs proprietes physiques dependent fortement de la qualite des echantillons, c'est pourquoi on etudie des monocristaux de haute qualite. A cause de la longueur de penetration finie de la radiofrequence dans les metaux ceci necessite de travailler a des frequences 100khz. C'est difficile avec des methodes conventionnelles de rmn, bien adaptees pour des frequences typiques de >10 mhz. Et a 100 khz, une detection a squid devient plus sensible que les methodes conventionnelles. La plus grande partie de ce travail a ete la mise au point de l'experience. Il a fallu trouver la geometrie la mieux adaptee, ecranter l'experience des perturbations electromagnetiques et diminuer le bruit cause par les vibrations. Une autre difficulte est venue de l'inevitable paramagnetisme des materiaux de construction. Il impose une excellente stabilite en temperature et d'autres precautions pour eviter les echauffements par la radiofrequence. Dans notre experience de rmn a squid on detecte la relaxation longitudinale de l'aimantation d'un echantillon apres une excitation selective des noyaux a la frequence de larmor (avec les methodes conventionnelles on utilise une detection resonante a cette frequence pour mesurer la composante transverse de l'aimantation nucleaire). La mesure du temps de relaxation spin-reseau est par consequent directe et le temps de dephasage transverse (t#2) n'influence pas la mesure. Notre experience est entierement controlee par ordinateur et permet la mesure de t#1 et de la forme de raie automatiquement en fonction de la temperature dans un champ magnetique fixe. Les resultats sur les echantillons de test montrent bien que la sensibilite du nouveau montage est suffisante pour l'etude de monocristaux de systemes a fermions lourds et a notre connaissance, elle est inegalee dans la litterature.

Nous avons développé un dispositif d’imagerie RMN bas champ à partir de cartes industrielles et développé des outils logiciels constituant un ensemble d’imagerie préclinique doté d’une interface simple. Les signaux RMN sont numérisés avec une technique passe bande compatible avec un échantillonnage direct. L’absence d’interactions électromagnétiques de l’imageur RMN à bas champ permet une intégration avec les autres modalités d’imagerie du petit animal dont nous disposons. Nous avons développé une cellule d’imagerie dédiée isolant l’animal de l’environnement et un logiciel de surveillance continue des paramètres physiologiques. Nous démontrons l’intérêt de la cellule pour le maintien de l’homéostasie et le transfert stéréotaxique pour l’imagerie multimodale IRM bas champ couplée avec une acquisition scintigraphique monophotonique. Les résolutions spatiales obtenues in vivo pour l’animal normal après recalage et fusion sont comprises entre 500x500x500 μm pour l’IRM et 800x800x800 μm pour la scintigraphie.

L'imagerie préclinique in vivo des petits animaux offre une approche unique d'étude des phénomènes physiopathologiques. Ce travail de thèse étudie le rôle que pourrait jouer l'IRM à bas champ 0,1T en imagerie préclinique compte tenu de ses caractéristiques économiques et techniques. Après avoir présenté les spécificités de l'imagerie préclinique, les choix techniques mis en oeuvre afin de réaliser de l'IRM à 0,1T in vivo du petit animal sont détaillés. Ces développements ont permis l'obtention de données quantitatives à 0,1T dans des applications variées d'IRM : anatomique (suivi longitudinal d'une croissance tumorale), fonctionnelle (dynamique cardiaque synchronisée) et avec gradients de sensibilisation au mouvement (ERM). Dans un contexte multimodal, la complémentarité des techniques d'imagerie est abordée à travers d'une part la conception simple et originale d'une modalité duale TEMP/IRM à bas champ, et d'autre part l'utilisation du CT pour mener certaines études de tissus mous
In vivo preclinical imaging in small animals offers a unique insight in physiopathological processes. This PhD thesis is a study of the role that 0. 1T low field MRI could play in preclinical imaging considering its economical and technical characteristics. The specificities of preclinical imaging are first presented, then the technical adaptations developed for in vivo small animal imaging using 0. 1T MRI are detailed. These technical choices allow to obtain quantitative results using 0. 1T MRI in various in vivo imaging studies: anatomical (longitudinal follow-up of tumor growth), functional (triggered cardiac dynamic) and motion-sensitizing gradients (MRE). In a multimodal context, the complementarity of imaging techniques is shown through the simple and original conception of a dual SPECT/low field MRI modality, and the use of microCT in some specific soft tissues studies

La spectroscopie par résonance magnétique permet de manière non invasive, de caractériser et suivre l'évolution du métabolisme cérébral in vivo chez l’Homme. Néanmoins, de nombreux biais empêchent l’obtention d’une caractérisation métabolique cérébrale complète, un prérequis essentiel pour mieux comprendre une pathologie diffuse comme la Sclérose en Plaques (SEP).Mon premier projet a donc consisté à transposer une technique de spectroscopie rapide en 3 dimensions, acquise dans deux orientations spatiales. Cette comparaison a mis en évidence des diminutions de métabolites reliés à la viabilité et à l’activité neuronale, dans des régions fonctionnelles motrices et cognitives, mais également une activité gliale accrue dans les lésions de substance blanche mais aussi en dehors. La deuxième étude a visée à caractériser d'un point de vue métabolique, les accumulations cérébrales de sodium observées chez les patients atteints de SEP par IRM du 23Na. Nous avons pu mettre en évidence des corrélations significatives entre les accumulations de sodium et les diminutions de NAA mettant en lumière un lien fort entre ces accumulations et les phénomènes de souffrance neuronale.Enfin, le dernier projet a eu pour but d'améliorer la résolution spatiale de l'imagerie spectroscopique du proton en tirant partie des avantages d'un imageur clinique 7 Tesla. Après avoir corrigé différents problèmes comme les inhomogénéités B0 et B1 ainsi que l’artefact de déplacement chimique, nous avons obtenu le profil du NAA, de la Choline et de la Créatine pour 4 gros noyaux thalamiques. De plus, l’analyse statistique a mis en évidence des différences métabolique entre les noyaux Thalamiques
Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) allows to characterize, in vivo and non-invasively, the cerebral metabolism in Human. Nevertheless, use MRS in clinical routine is marginal and it is impossible to obtain whole brain metabolic topography, mandatory step in order to understand diffuse pathology like Multiple Sclerosis (MS).First of all, we aimed to transpose a fast 3D-MRSI sequence acquired in two different orientations. We observed significant decrease in metabolites linked with neuronal health and activity, in important motor and cognitive areas, and also increase in glial activation, inside white matter T2 lesions but also outside in normal appearing white and grey matter.Secondly, we aimed to characterize the metabolic counterpart of cerebral sodium accumulations observed, using 23Na MRI, in MS patients. We observed significant correlations between sodium accumulations and decrease in NAA highlighting a strong link between sodium accumulations and neuronal suffering.Finally, we attempted to improve spatial resolution of proton MR spectroscopy using 7 Tesla scanner. We also addressed ultra-high field artifacts like B0 and B1 inhomogeneities as well as chemical shift displacement error. We obtained metabolic profiles of NAA, Choline and Creatine for 4 big thalamic nuclei. Moreover, statistical analysis evidencing metabolic differences between nuclei in same hemisphere but also for some nuclei left/right differences

Ce projet doctoral a été réalisé au laboratoire BioMaps de l'Université Paris-Saclay et au CMPBME de l'Université Médicale de Vienne. Afin d’améliorer la valeur diagnostique de l'IRM, il est souhaitable de réduire les durées d’acquisition, d’avoir une prise en charge plus efficace des patients et une meilleure qualité des images. Dans ce but, une instrumentation portable avec un matériel optimisé permettrait de réduire le poids, d’augmenter la flexibilité et de transmettre sans fil les signaux RMN, améliorant ainsi la sensibilité, le confort, la sécurité et la facilité d'utilisation de ces dispositifs.Dans ce contexte, nous avons étudié des antennes RF souples à câbles coaxiaux basées sur le principe des résonateurs à lignes à transmission. Ces résonateurs, pouvant posséder plusieurs tours et/ou plusieurs fentes, permettent d'optimiser la taille de l’antenne RF en fonction de l'application visée. Le concept a d'abord été étudiée in silico. De nombreux prototypes ont été construits et leurs performances ont été testées sur table et en IRM à 3 et 7 T. Les antennes coaxiales ont révélé avoir des performances robustes à la déformation, ne dégradent pas le TAS et peuvent améliorer le RSB et l'efficacité de transmission lorsqu'elles sont conformées au relief de la zone imagée. En parallèle, nous avons mené une étude approfondie des technologies de transmission sans fil en IRM. Un premier prototype de communication optique sans fil pour la transmission de données de capteurs de mouvements a été réalisé et testé. Les antennes coaxiales portables que nous avons étudiées offrent une alternative intéressante aux antennes standard en raison de leur faible poids et de leur flexibilité
This PhD thesis work was conducted at the BioMaps laboratory at the Université Paris-Saclay and the Center for Medical Physics and Biomedical Engineering (CMPBME) at the Medical University of Vienna.To improve diagnostic value in MRI, shorter acquisitions, more efficient patient handling and improved image quality are needed. Wearable technology with optimized hardware reduces weight, increases flexibility, and could be wireless, thereby improving sensitivity, comfort, safety, and usability.In this work, flexible self-resonant coaxial transmission line resonators were investigated. Coaxial coils with multiple turns and gaps enable size optimization depending on the target application. The design was first studied in silico. Numerous prototypes were constructed and their performance was tested on the bench and in 3 and 7 T MRI. Coaxial coils were shown to be robust against bending, have no SAR penalty and improve SNR and transmit efficiency when form-fitted.A review of wireless MR, associated hardware developments and data transmission technology is given.An optical wireless communication module for sensor data transmission was demonstrated experimentally.Wearable coaxial coils offer an attractive alternative to standard coils due to low weight and flexibility. With wireless motion sensors diagnostic value in e.g. breast, knee, or cardiac MRI could be increased