Modélisation, réalisation et caractérisation d'antennes supraconductrices pour la micro-IRM du cerveau de souris à 4,7 T

par Simon Lambert

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Luc Darrasse.

Soutenue le 08-04-2011

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015) , en partenariat avec Imagerie par résonance magnétique médicale et multi-modalités (Orsay, Essonne ; 2010-2019) (laboratoire) et de Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités (laboratoire) .

Le président du jury était Sylvain Miraux.

Le jury était composé de Luc Darrasse, Sylvain Miraux, Georges Alquié, Jérôme Lesueur, Jean-Marc Poncet.

Les rapporteurs étaient Georges Alquié, Jérôme Lesueur.


  • Résumé

    En IRM haute résolution du petit animal, un rapport signal sur bruit (RSB) convenable demande habituellement l'utilisation d'un champ magnétique statique beaucoup plus élevé, (jusqu'à 20 T) que pour les applications cliniques quotidiennes (1,5 et 3 T). Une alternative est offerte avec le développement récent d’antennes miniatures en matériau supraconducteur à haute température critique (HTS). Cependant de nombreux problèmes liés à ce type d'antennes subsistent et limitent leur diffusion à grande échelle. Le présent manuscrit présente le développement théorique et expérimental d'une antenne de surface HTS de très petite dimension destinée à l’imagerie du cerveau de souris in vivo à 4,7 T.La première partie traite de la modélisation électromagnétique 3D, à l’aide d’un logiciel commercial (CST-Microwave Studio), de structures monolithiques auto-résonantes adaptées à l'obtention de facteurs de qualité extrêmement élevés (105). Le modèle numérique permet, par rapport à un modèle analytique approché, une meilleure prise en compte de la complexité géométrique de l’antenne et de son environnement cryogénique proche, dont les effets sur les caractéristiques radiofréquences de l’antenne sont considérables.Une deuxième partie présente l'étude des effets du champ statique (de 0 à 4,7 T) et de la température (de 65 à 83 K) sur les caractéristiques électriques d’une antenne HTS, dans le domaine de fréquences de l'IRM pour lequel les propriétés des supraconducteurs ont été peu étudiées jusqu'ici. L'étude montre que les effets délétères du champ sur la sensibilité de l’antenne sont partiellement compensés par une diminution modérée de sa température de fonctionnement. Cette diminution est accessible avec un dispositif original de contrôle de température qui évite de faire appel à un système cryogénique complexe limitant le domaine d’application des antennes HTS.La troisième partie présente les résultats obtenus en imagerie à 4,7 T avec une antenne de surface en matériau HTS dont la taille (diamètre de 6 mm) a été optimisée pour obtenir les meilleures performances en RSB, en vue d'une intégration dans un réseau de 4 antennes. Un RSB 4,5 fois supérieur à celui obtenu avec une antenne en cuivre de même géométrie a été démontré sur fantôme. Ce travail aboutit à la réalisation de la première image de cerveau de souris in-vivo à une valeur de champ supérieure à 3 T avec une antenne HTS. La mise en réseau d'antennes de ce type devrait permettre de couvrir le cerveau de souris complet en imagerie très haute résolution à 4,7 T, avec un RSB comparable à celui qui est accessible aujourd'hui à la limite supérieure de champ magnétique.

  • Titre traduit

    Modelisation, realisation and caracterisation of superconducting coils for micro-MRI of mouse brain at 4.7 T


  • Résumé

    High resolution magnetic resonance imaging (MRI) of small animals requires generally higher static magnetic field (up to 20 T) than those used for clinical applications (1,5 and 3 T) in order to reach a satisfactory signal to noise ratio (SNR). An alternative can be the use of miniature surface coils made of high temperature superconducting (HTS) material. However, several issues remain with such coils and limit their use at a large scale. In this work we present the theoretical and experimental development of a miniature HTS surface coil dedicated to mouse brain imaging at 4.7 T.The first chapter presents 3D electromagnetic simulations to design monolithic self-resonant structures with very high quality factors (≈105) using a commercial software (CST-Microwave Studio). In contrast to an analytical model, a numerical model allows to handle the complex geometry of the coil and its cryogenic environment, which may influence notably the radiofrequency characteristics of the coil.The second chapter presents a study of the coupled effects of the static magnetic field B0 (from 0 to 4,7 T) and temperature (from 66 to 80 K) on the electrical properties of a HTS coil in the frequency range involved in MRI, for which HTS properties have been poorly studied. This study shows that deleterious effects of B0 on coil sensitivity can be partially compensated by a moderate decrease of its working temperature. An original cryogenic system was designed to enable temperature regulation avoiding the use of more complex systems that limit the use of HTS coils for MRI experiments.The third chapter presents MRI results obtained at 4.7 T using a small HTS surface coil. The 6 mm coil has been optimized for best SNR performances and in order to be integrated in a 4-element coil array in a future refinement. A 4.5 fold SNR enhancement as compared to the one achieved using a copper coil with the same geometry was demonstrated. This work provides the first in-vivo imaging of a mouse brain using a HTS coil at a B0 value higher than 3 T. Arrays made of such coils will allow to perform very high resolution imaging of the complete mouse brain at 4.7 T with SNR values that are comparable to those achieved at the highest B0 fields accessible today.

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