Étude et réalisation d'un dispositif de résonance magnétique nucléaire à bas champ magnétique en environnement ouvert et bruyant

par Nazim Lechéa

Thèse de doctorat en Sciences Mécaniques, Acoustique, Electronique et Robotique de Paris

Sous la direction de Stéphane Hole.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .


  • Résumé

    Ce travail porte sur l'étude et la réalisation d'un dispositif de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) sous faibles champs magnétiques dans un environnement non blindé. Il se situe dans le cadre de la physique instrumentale avec pour application l'étude des matériaux par spectroscopie, l'imagerie médicale et l'aide au diagnostic. La RMN est une technique puissante permettant de sonder le cœur de la matière et d'étudier sa structure et ses propriétés moléculaires de façon non destructive et non invasive. Durant ce travail, un dispositif de RMN à bas champ a été étudié et réalisé. Effectuer des mesures à bas champ magnétique permet d'utiliser des aimants plus simples, moins coûteux et de limiter les courants de Foucault dans les matériaux conducteurs. Cependant, à bas champ magnétique, les signaux sont très faibles en raison de la forte dépendance du signal de RMN à l'intensité du champ magnétique lorsqu'une détection par induction magnétique est utilisée. Pour réduire cette dépendance, un SQUID fonctionnant à basse température critique a été utilisé afin d'obtenir une meilleure détection des signaux. Le SQUID a été combiné avec différents types de gradiomètres dont l'objet est de favoriser le signal provenant de l'échantillon par rapport aux signaux produits par des sources parasites lointaines. Il a été démontré qu'une configuration planaire est plus avantageuse qu'une configuration axiale en utilisant une approche analytique basée sur le principe de réciprocité. La chaîne de mesure comprend également un interrupteur supraconducteur astucieux développé dans le cadre de cette thèse. Il sert à protéger le SQUID pendant la phase de magnétisation de l'échantillon et permet d’éviter un temps mort pendant la phase d'acquisition de signal. La technique employée permet de piloter précisément toutes les phases de la mesure sans apporter significativement du bruit. Le dispositif expérimental final a permis de mesurer des signaux de RMN émanant d'un échantillon d'eau dans un environnement totalement ouvert, sujet à différents types de bruits basse fréquence (50 Hz et ses harmoniques, transformateurs, voiture en mouvements, ascenseurs. . . ). Pour cela, une électronique de mesure généraliste contrôlant les différentes séquences de RMN a été réalisée et des méthodes de traitement de signaux analogiques et numériques ont été utilisées. Les protons d'hydrogène sont pré-polarisés dans un champ moyen de l'ordre de 100 mT et leur relaxation est mesurée en champ faible d'environ 50 µT en présence du champ terrestre à des fréquences de quelques kilohertz

  • Titre traduit

    Study and realization of a device of nuclear magnetic resonance with low magnetic field in open and noisy environment


  • Résumé

    This work is focused on the study and the implementation of an experimental device for Nuclear Magnetic Resonance (NMR), under weak magnetic fields in an unshielded and open environment. It takes place within a broader context of instrumental physics, such as materials spectroscopy, medical imaging and diagnostic assistance. NMR is, for this purpose, a powerful technique to probe the heart of the matter, study its structure and molecular properties in a non-destructive and non-invasive way. In this work, an experimental device for low field NMR application has been studied. Using low magnetic field offers the possibility to use much simpler and less expensive magnets, as well as limits eddy currents in conductive materials and promotes the differences between biological tissues in Magnetic Resonance Imaging application. However, at low field, signals are very weak due to the strong dependence of the NMR signal on magnetic field strength when using conventional detection coil. To reduce this dependence and to obtain sufficient signal detectability, a SQUID operating at low critical temperature is used. The SQUID is combined with different types of gradiometer, whose purpose is to promote the sample signal from signals produced by distant spurious sources. By using analytical approach based on reciprocity principle, it was also shown that a planar configuration is more advantageous than axial configuration. The measurement system comprises also a superconducting switch, controlled by laser pulses via an optical fiber, which has been completely designed and developed during this thesis. It is used to protect the SQUID during the sample magnetization, to avoid dead time during signal acquisition phase and to control precisely all NMR sequences without adding much noise to the measurement device. The final experimental device was used to measure NMR signals from water sample, in a fully open environment under the influence of different types of low frequency noises (50 Hz and its harmonics, transformers, cars moving, elevators. . . ). For this purpose, low field NMR electronic was performed for acquiring signal and driving process. In addition, analog and digital signal processing methods were carried out. Hydrogen protons are pre-polarized under about 100 mT, while the relaxation is measured at very small field around 50 µT in the presence of the earth magnetic field giving frequencies around a few kilohertz

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Informations

  • Détails : 1 vol. (186 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 167-181. 158 réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Biologie-Chimie-Physique Recherche.
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  • Cote : T Paris 6 2013 124
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