Développement de réseaux d’antennes supraconductrices pour l’imagerie par résonance magnétique haute résolution à champ intermédiaire à champ intermédiaire

Development of superconducting coil array for the high resolution Magnetic Resonance Imaging at intermediate field strength

• Auteur / Autrice : Zhoujian Li
• Direction : Jean-Christophe Ginefri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie et physique médicale
• Date : Soutenance le 11/03/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie par résonance magnétique médicale et multi-modalités (Orsay, Essonne ; 2010-2019)
• Jury : Président / Présidente : Yves Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Ginefri, Yves Bernard, Olivier Beuf, Hervé Saint-Jalmes, Elmar Laistler
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Beuf, Hervé Saint-Jalmes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes-réseaux

Supraconducteurs

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

IRM

Réseau d'antenne

Haute résolution

Supraconducteur

MRI

Coil array

High resolution

Superconducting

Résumé

En microscopie IRM, la sensibilité de détection est critique pour obtenir des images avec un rapport signal sur bruit suffisant car l’intensité du signal RMN devient extrêmement faible. Une stratégie alternative à l’utilisation de champs statiques élevés consiste à améliorer les performances des antennes radiofréquences qui détectent le signal d’IRM. Plus particulièrement, la stratégie dans laquelle s’inscrit ce travail de thèse vise à exploiter la haute sensibilité des antennes miniatures supraconductrices basées sur le principe des résonateurs monolithiques à ligne de transmission avec comme objectif à terme la mise en réseau de ce type d’antennes. Le développement d’un tel réseau représente un enjeu instrumental majeur car cela permet de profiter de la haute sensibilité intrinsèque des antennes miniatures supraconductrices tout en autorisant l’observation de zones étendues ou en profondeur. Cependant, les caractéristiques géométriques de ces antennes et la nature des matériaux utilisés posent des difficultés importantes pour réaliser les opérations d’accord, d’adaptation, ou découplage mutuel lors de leur utilisation en IRM. Dans le cadre de cette thèse, nous avons conduit des travaux abordant ces différentes problématiques et permettant la mise œuvre d’un réseau supraconducteur pour l’imagerie haute résolution à champ clinique.Nous avons développé en premier lieu un système permettant de réaliser automatiquement et sans contact l’accord et l’adaptation des antennes miniatures monolithiques. Ce système utilise des techniques, basées sur le couplage électrique et magnétique, que nous avons préalablement étudiées en utilisant différentes méthodes. Les performances de ce système ont été étudiées et la faisabilité de sa mise en œuvre dans une expérience d’IRM a été établie.Nous avons abordé en second lieu le problème de découplage mutuel des éléments constituant un réseau. Pour cela, des techniques de découplage potentiellement compatibles avec les antennes miniatures supraconductrices ont été étudiées. En particulier, la technique de découplage par anneau de blindage a été investie en profondeur, par simulation numérique et expérimentalement, et nous avons développé un modèle analytique d’optimisation du niveau de découplage accessible par cette technique. Nous avons mis en œuvre et validé cette technique avec des réseaux en cuivre de quatre antennes et des premiers essais ont été conduits avec un réseau constitué de deux antennes miniatures supraconductrices.

In MRI microscopy, the sensitivity of the detection is a critical issue for acquiring images with high signal to noise ratio because the amount of NMR signal is extremely low. An alternative to the use of high field strength is to improve the performances of the radiofrequency coil that detect the NRM signal. In particular, the strategy underlying the present work aims at exploiting the high sensitivity of miniature superconducting coils based on the monolithic design of transmission line resonators, with the long term objective of implementing an array of these coils. The development of such array represents an important instrumental stake since it allows for benefiting from the intrinsically high sensitivity of miniature superconducting coils while allowing the observation of extended region of interest. However, the highly compact structure, the small size of the coil and the nature of the material used make rise important difficulties for achieving the tuning, matching and mutual decoupling when using these coils in MRI. In the frame of this PhD project, with conducted works to address these problematics and allow for implementing a superconducting array for high resolution imaging at clinical filed strength.We have firstly developed a control system which allows for automatic and contactless tuning and matching of miniature monolithic coils. This system uses techniques based on electric and magnetic coupling, that we beforehand investigated using various methods. The performances of this system were studied and the feasibility of implementing it in an MRI experiment was established.The second part of this work addresses the issue of mutual decoupling between the elements of an array elements. To this end, decoupling techniques being potentially compatible with miniature superconducting coils have been studied. In particular the decoupling technique using shielding rings has been deeply investigated, by numerical simulation and experimentally, and we have developed an analytical model for optimizing the decoupling level achievable with this technic. We have implemented and validated this technic with a four-element copper coil array and first trials were performed with an array of two miniature.superconducting coils.