Réseau flexible d'antennes miniatures pour l'imagerie par résonance magnétique haute résolution à 7 Tesla

A flexible coil array for high resolution magnetic resonance imaging at 7 Tesla

• Auteur / Autrice : Roberta Kriegl
• Direction : Jean-Christophe Ginefri, Ewald Moser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Medizinische Universität Wien
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie par résonance magnétique médicale et multi-modalités (Orsay, Essonne ; 2010-2019) - Center for Medical Physics and Biomedical Engineering (Vienna)
• Jury : Président / Présidente : Wolfgang Drexler
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Ginefri, Ewald Moser, Wolfgang Drexler, Elmar Laistler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antennes-réseaux à commande de phase

Bobines d'induction

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Ultra-haute intensité du champ magnétique

Antennes de surface

Réseau d’antennes

Résonateurs à ligne de transmission

Découplage mutuel

Adaptation inductive

IRM

Ultra-high field

Surface coil

Coil array

Transmission line resonator

Mutual decoupling

Pick-up loop matching

MRI

Résumé

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil d’investigation majeur donnant accès de manière non invasive à des nombreuses informations quantitatives et fonctionnelles. La qualité des images obtenues (rapport-signal-sur-bruit, RSB) est cependant limitée dans certaines applications nécessitant des résolutions spatiales et/ou temporelles poussées. Afin d’améliorer la sensibilité de détection des équipements d’IRM, diverses orientations peuvent être suivies telles qu’augmenter l’intensité du champ magnétique des imageurs, améliorer les performances des systèmes de détection radiofréquence (RF), ou encore développer des séquences d’acquisition et des techniques de reconstruction d’images plus efficaces. La thématique globale dans laquelle s’inscrit cette thèse concerne le développement des systèmes de détection RF à haute sensibilité pour l’IRM à haut champ chez l’homme. En particulier, des antennes auto-résonantes basées sur le principe des lignes de transmission sont utilisées parce qu’elles peuvent être réalisée sur substrat souple. Cette adaptabilité géométrique du résonateur permet d’ajuster précisément sa forme aux spécificités morphologiques de la zone anatomique observée, et ainsi d’augmenter le RSB. La première visée technologique de ce projet concerne le développement, de la conception jusqu’à la mise en œuvre dans un appareil 7 T corps entier, d’un système de détection RF flexible à haute sensibilité, utilisant des antennes miniatures associées en réseau. L’utilisation d’un réseau d’antennes miniatures permet d’obtenir des images sur un champ de vue élargi tout en conservant la haute sensibilité inhérente à chaque antenne miniature. De plus, la technologie de l’imagerie parallèle devient accessible, ce qui permet d’accélérer l’acquisition des images. De surcroît, un nouveau schéma de résonateur de ligne transmission avec un degré de liberté supplémentaire est introduit, ce qui permet de réaliser de grands résonateurs multi-tours pour l’IRM à haut champ. Cette thèse décrit le développement, la mise en œuvre et l’évaluation des nouveaux systèmes de détection RF au moyen de simulations analytiques et numériques, et des études expérimentales.

Magnetic resonance imaging (MRI), among other imaging techniques, has become a major backbone of modern medical diagnostics. MRI enables the non-invasive combined, identification of anatomical structures, functional and chemical properties, especially in soft tissues. Nonetheless, applications requiring very high spatial and/or temporal resolution are often limited by the available signal-to-noise ratio (SNR) in MR experiments. Since first clinical applications, image quality in MRI has been constantly improved by applying one or several of the following strategies: increasing the static magnetic field strength, improvement of the radiofrequency (RF) detection system, development of specialized acquisition sequences and optimization of image reconstruction techniques. This work is concerned with the development of highly sensitive RF detection systems for biomedical ultra-high field MRI. In particular, auto-resonant RF coils based on transmission line technology are investigated. These resonators may be fabricated on flexible substrate which enables form-fitting of the RF detector to the target anatomy, leading to a significant SNR gain. The main objective of this work is the development of a flexible RF coil array for high-resolution MRI on a human whole-body 7 T MR scanner. With coil arrays, the intrinsically high SNR of small surface coils may be exploited for an extended field of view. Further, parallel imaging techniques are accessible with RF array technology, allowing acceleration of the image acquisition. Secondly, in this PhD project a novel design for transmission line resonators is developed, that brings an additional degree of freedom in geometric design and enables the fabrication of large multi-turn resonators for high field MR applications. This thesis describes the development, successful implementation and evaluation of novel, mechanically flexible RF devices by analytical and 3D electromagnetic simulations, in bench measurements and in MRI experiments.