Micro-imagerie par résonance magnétique de matériaux solides en rotation à l'angle magique

Magic angle spinning magnetic resonance micro-imaging of rigid solids

• Auteur / Autrice : Maxime Yon
• Direction : Franck Fayon, Dominique Massiot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 24/10/2017
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (2012-.... ; Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Bessada
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Massiot, Catherine Bessada, Jean-Claude Beloeil, Christian Bonhomme, Danielle Laurencin, Dimitrios Sakellariou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de la résonance magnétique nucléaire

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Imagerie par résonance magnétique (IRM)

Spectroscopie RMN

Matériaux solides

Tissus calcifiés

³¹P

Magnetic resonance imaging (MRI)

NMR spectroscopy

Rigid solids

Hard tissues

³¹P

NUS

Résumé

L’imagerie par résonance magnétique est une technique non invasive et non ionisante permettant de caractériser la structure anatomique des tissus biologiques mous via la localisation des signaux de résonance magnétique nucléaire (RMN) des molécules mobiles. Cependant, l’application de l’IRM pour l’étude des matériaux rigides reste difficile dû aux forts élargissements des raies de résonances inhérents aux matériaux solides qui diminuent la résolution et le rapport signal sur bruit des images obtenues par encodage fréquentiel.La rotation à l’angle magique (MAS) permet de moyenner efficacement les interactions anisotropes de l’état solide par une rotation de l’échantillon, réduisant ainsi la largeur des raies de résonance. Dans ce manuscrit la possibilité de combiner la rotation à l’angle magique et l’IRM pour effectuer de la micro-imagerie multidimensionnelle et multi-nucléaire (¹H, ³¹P, ²⁷Al et ⁵¹V) à très haut champ magnétique (17,6 T) de matériaux solides avec une résolution et un rapport signal sur bruit largement supérieur à ceux obtenus en condition statique est démontrée. Une large gamme de matériaux (polymères, céramiques et tissus calcifiés biologiques) a été étudiée. Des images avec une résolution comprise entre 30 et 300 μm ont pu être obtenues pour des fréquences de rotation MAS allant jusqu’à 20 kHz, en utilisant des séquences IRM d’écho ou à temps d’écho nul. La possibilité d’utiliser un schéma de sous-échantillonnage associé à des algorithmes de reconstruction est aussi abordée.L’utilisation de séquences de RMN solide tels que la polarisation croisée pour augmenter le contraste et ainsi mettre en évidence des variations physico-chimiques localisées dans des tissus calcifiés biologiques est aussi démontrée. L’utilisation de gradients de champ magnétique pulsés combinés à la rotation à l’angle magique rend aussi possible la spectroscopie RMN de haute résolution localisée spatialement. Cette méthode a été utilisée pour étudier in vivo et dans chacun des segments du corps le métabolome de drosophiles modèles de pathologies neurodégénératives.

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive and non-ionizing powerful tool widely used to characterize the structure and function of biological soft tissues through the localization of the NMR signal of mobile species. In contrast, the application of MRI in rigid solids remains challenging as they usually exhibit strong line broadening which decreases both the sensitivity and the resolution obtained with frequency encoding and short transverse relaxation time prohibiting the use of echo MRI sequences.Magic Angle Spinning (MAS) provides an efficient averaging of the an isotropic interactions in the solid statethrough a macroscopic rotation of the sample and allows obtaining narrow resonances. In this manuscript,we show the potentialities of combining MAS and MRI to carry out multi-nuclei (¹H, ³¹P, ²⁷Al or ⁵¹V) multidimensional micro-imaging in rigid solids, at very high magnetic field (17.6 T), with greatly improved SNR and spatial resolution when compared to static conditions. This is exemplified on a wide range of materials(polymers, oxide ceramics, biomaterials and hard tissues) for which the use of MAS at frequencies up to 20 kHz with spin-echo or Zero Echo Time (ZTE) MRI sequences allow obtaining images with spatialre solutions ranging from 30 to 300 μm. It is also demonstrated that solid state NMR sequences such as Cross-Polarization (CP) can be employed to enhance contrast and to further depict spatially localized chemical variations in bones and related materials. The possibility of using under sampled acquisition scheme with reconstruction algorithms is also addressed.The combination between pulsed field gradients and MAS also offers the possibility to perform high resolution localized spectroscopy. This methodology is used to study, in vivo and at the organ level, the metabolism of neuro degenerative pathologies drosophila models.