Homogénéisation du champ statique et de l'excitation des spins pour l'IRM du cerveau humain à 11.7 Tesla

par Bruno Pinho Meneses

Projet de thèse en Imagerie et physique médicale

Sous la direction de Alexis Amadon.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Unité d'imagerie par IRM et de Spectroscopie (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 06-11-2017 .


  • Résumé

    L'IRM du cerveau humain à très haut champ (au-delà de 3 Tesla) est principalement utilisée pour affiner la résolution spatiale des images parce qu'elle permet d'augmenter leur rapport signal sur bruit. C'est dans ce contexte que le laboratoire NeuroSpin va bientôt accueillir un aimant de 11,7 T unique au monde et conçu au CEA, comme « base de lancement » du plus puissant imageur jamais réalisé. Dès la réception de cet aimant en 2017, le constructeur Siemens intègrera les autres éléments indispensables à l'IRM (à l'exception des antennes Radio-Fréquence à transmission parallèle – cf. ci-après). Cependant, deux verrous technologiques s'opposent à une qualité d'image irréprochable. Le premier verrou concerne les inhomogénéités du champ Radio-Fréquence (RF), dit champ B1, utilisé pour exciter les spins des protons de l'eau du corps observé. La fréquence de résonance de ces spins augmentant avec le champ magnétique (500 MHz à 11,7 T), la longueur d'onde RF à transmettre devient inférieure à la taille de la tête du sujet examiné (~ 7 cm à 11,7 T). Dans ces conditions, la diffraction du champ B1 donne lieu à des structures d'interférences, dits de résonance diélectrique, qui se traduisent par des zones d'ombres et des pertes de contraste sur les images si aucune stratégie innovante de transmission RF n'est mise en place [1]. C'est pourquoi ces dernières années, le laboratoire NeuroSpin a mis au point des techniques originales permettant d'homogénéiser l'excitation des spins dans tout le cerveau humain avec l'appui d'un système de transmission parallèle (pTx) à 8 voies installé auprès de l'imageur à 7 T de NeuroSpin. Ce système permet de concevoir sur chaque voie des impulsions RF différentes et simultanées, amplifiées et transmises à des éléments émetteurs autour de la tête du sujet. En partenariat avec le CEA-Irfu , NeuroSpin a acquis un savoir-faire dans la conception et fabrication de ces antennes à multiples éléments de transmission (et de réception) pour propager un champ B1 modulé dans l'espace et le temps de sorte à obtenir une excitation homogène en fin d'impulsion RF. Dans la conception de ces impulsions, NeuroSpin a breveté une technique, dite des points kT [2], générant des excitations non-sélectives uniformisant l'angle de bascule de l'aimantation dans tout le cerveau. Cette technique a été appliquée avec succès à l'imagerie 3D du cerveau pondérée en densité de protons [3], en temps de relaxation longitudinale T1 [4], et en temps de relaxation transverse T2 [5] à 7 T. Tout comme les impulsions sélectives générées par la technique dite des « spokes » [6 ,7], les impulsions de type points kT sont en principe optimisées pour chaque sujet après cartographie rapide des champs B1 issus de chaque canal de transmission. Mais plus récemment, NeuroSpin a également développé et breveté une technique permettant de s'affranchir de cette phase préliminaire de calibration par le biais d'impulsions dites « universelles » [8] conçues sur la base de points kT ou de spokes selon la spécification de leur sélectivité. En définitive, NeuroSpin semble désormais bien armé pour lever le verrou technologique des inhomogénéités RF à 11,7 T, où le problème de résonance diélectrique sera plus prononcé qu'à 7 T. En revanche à ce jour, le second verrou n'a pas été attaqué de manière frontale : il s'agit des inhomogénéités du champ statique B0 liées aux disparités de susceptibilité magnétique dans la tête du sujet, notamment à proximité des zones où des cavités d'air sont présentes (sinus et rochers). Ces inhomogénéités pouvant dépasser le ppm (soit 0.0001 %) sont d'autant plus importantes que le champ B0 est élevé : à 11,7 T, elles atteindront des valeurs supérieures à 10 µT si rien n'est fait pour les contrecarrer, ce qui est de l'ordre de l'intensité de B1 la plus intense qu'on puisse générer avec les antennes. Ces hétérogénéités se manifestent par des pertes de signal et des distorsions sur les images, même si les optimisations d'impulsions RF à NeuroSpin tiennent compte de la cartographie de B0. En particulier des pertes de signal sont liées au déphasage intra-voxel dans ces zones à fort gradient de susceptibilité lors de la relaxation de l'aimantation transverse pendant les séquences de type échos de gradient. Les distorsions, elles, proviennent d'erreurs d'encodage de l'espace lorsque les défauts de susceptibilité induisent des valeurs de champ comparables à celles des gradients de lecture utilisés pendant la séquence d'acquisition. En définitive, il est impératif de limiter ces inhomogénéités de B0 pour obtenir une bonne qualité d'image. Pour ce faire, les imageurs disposent de grosses bobines spécifiques, dites de shim, pour compenser les harmoniques sphériques de la décomposition spatiale de la distribution de B0 jusqu'à l'ordre 2 voire 3. Cependant, ces compensations seront insuffisantes à 11,7 T pour faire face à l'augmentation des hétérogénéités de champ statique, en particulier parce que les cavités d'air dans la tête humaine ne sont pas centrées dans l'aimant. Des solutions alternatives à ces bobines de shim classiques ont été proposées par quelques rares équipes à la pointe du domaine depuis une petite dizaine d'années. Elles consistent en l'exploitation de multiples petites bobines localisées dans l'antenne, dont le courant est ajusté pour compenser les défauts de susceptibilité. Dans certains cas, ces bobines sont dédiées au shim [9, 10], ce qui ajoute une complexité supplémentaire dans la conception d'antennes performantes, car elles constituent une sorte d'écran à la propagation des ondes RF. Dans un autre cas, c'est le réseau même de boucles de réception RF qui sert de support aux courants de shim, avec le problème de pertes qu'induit le découplage AC/DC [11]. En définitive, NeuroSpin souhaiterait se doter d'une technologie s'inspirant de ces avancées pour mettre au point une antenne pTx à 11,7 T intégrant cette capacité à homogénéiser localement le champ statique. En outre, comme cela se fait déjà [12], le contrôle du courant dans ces bobines/boucles proches de la tête du sujet pourra être dynamique : en imagerie 2D multi-coupes, on envisage en effet d'adapter les courants de shim pour chaque coupe en cours d'acquisition pour optimiser au mieux l'uniformisation de B0, ce qui nécessite un changement en temps réel de ces courants pendant la séquence d'acquisition. En bref, pour obtenir des images de qualité à haute résolution du cerveau humain, il est capital que le futur imageur à 11,7 T de NeuroSpin soit équipé des technologies les plus avancées pour amoindrir voire éliminer les artefacts liés aux inhomogénéités tant de B1 que de B0. Le sujet de thèse se focalisera sur ce deuxième défi : sur la base d'une architecture d'antenne pTx déjà développée à NeuroSpin [13, 14], le ou la candidat(e) devra judicieusement y introduire des éléments permettant d'uniformiser le champ B0 partout dans le cerveau, et ce de manière dynamique, sans impacter de manière significative l'efficacité de transmission ni dégrader le rapport signal sur bruit des images. Il devra éprouver les prototypes développés en conditions d'acquisition réelle à 11,7 T d'abord sur fantôme, puis sur primate, et enfin in-vivo chez l'homme. En outre, l'étudiant(e) pourra mettre à profit ses développements de dispositifs expérimentaux modulant le champ B0 pour améliorer l'optimisation des impulsions RF de type points kT ou spokes [15]. Au terme de sa formation, il aura ainsi acquis de solides bases tant dans l'électronique que dans le contrôle logiciel pour maîtriser l'ensemble de la chaîne d'acquisition des IRM, qui plus est dans un environnement à très haut champ. Il aura le privilège d'être pionnier dans l'acquisition des premières images de cerveau humain à 11,7 T pour lesquelles il aura amplement contribué à atteindre une qualité irréprochable. Grâce à son travail, les neuroscientifiques pourront alors sonder le cerveau humain avec une résolution jamais atteinte auparavant, et espérer percer des mystères du fonctionnement cérébral. Cette thèse sera dirigée par Alexis Amadon, à l'origine de la méthode des points kT et promoteur/évaluateur d'antennes pTx à NeuroSpin. Côté développement d'antenne et de dispositifs électroniques, l'étudiant(e) sera co-encadré(e) par Michel Luong et Guillaume Ferrand, du CEA-Irfu, qui ont conçu en détail les antennes pTx de NeuroSpin. Il/elle sera amené(e) à utiliser un logiciel de simulation électromagnétique de type COMSOL pour modéliser les intéractions entre les boucles de shim localisées, la tête humaine, et l'antenne pTx. Côté physique de l'IRM et interface avec l'imageur à 11.7 T, il/elle pourra bénéficier des conseils d'Alexis Amadon, qui a l'expérience de programmation de séquences et de conception d'impulsions RF dans l'environnement propre au constructeur Siemens. Le candidat est attendu à NeuroSpin au sein d'une petite équipe dynamique et motivée autour de la thématique de la transmission parallèle; il bénéficiera d'un environnement de travail ouvert à d'autres domaines des hauts champs comme l'imagerie moléculaire (agents de contraste), la spectroscopie des métabolites, ou encore l'imagerie des noyaux lourds comme le phosphore ou le sodium. En outre, il fera partie d'une communauté hétéroclite de physiciens, de mathématiciens, de psychologues et de médecins travaillant tant dans le domaine des technologies de l'imagerie que des neurosciences (sciences cognitives, développement cérébral, maladies neurodégénératives, psychiatrie…). Bien entendu, le type d'expérience acquise par le/la candidat(e) dans le cadre de cette thèse lui sera bénéfique non seulement dans la recherche académique en méthodologie IRM, mais aussi lors d'une intégration ultérieure possible dans le monde industriel. Outre la physique de l'IRM qui constitue déjà un domaine très porteur en lui-même, cette thèse fait en effet appel à des technologies en vogue dans les entreprises high-tech (physique des ondes RF, programmation temps réel, optimisation…).

  • Titre traduit

    Homogenization of the static field and spin excitation for human brain MRI at 11.7 Tesla


  • Résumé

    High field human brain MRI enables finer resolution images because it enhances their signal-to-noise ratio. In this context, the NeuroSpin lab will soon get a unique 11.7 T magnet as a base for the most powerful MR imager ever made. Yet technological challenges remain to reach impeccable image quality. One of them is the static field inhomogeneity due to magnetic susceptibility disparities in the subject's head. Classically, dedicated electromagnetic coils allow to compensate for such disparities (or ‘shim”) up to third order of the field spatial decomposition into spherical harmonics. But at 11.7 T, such shimming is insufficient to mitigate the pronounced effects of field heterogeneities on brain images, which translate into signal losses and distortions close to cavernous structures in the head. Recently, a couple of teams proposed at high field the use of small coils localized within the Radio-Frequency (RF) coil, close to the subject's head. NeuroSpin seeks to acquire new technology inspired from such advances to develop a parallel transmit RF coil encompassing the ability to shim the static field at 11.7 T, in a dynamic fashion within an acquisition sequence. The candidate will be supervised at NeuroSpin by RF coil experts from the Research Institute on the Universe Fundamental laws at CEA (IRFU). He will become pioneer in the acquisition of the very first human brain images at 11.7T, for which he will contribute to reach unprecedented quality and resolution.