Concepts pour l'instrumentation portable en IRM : Développement d’antennes radiofréquences légères et flexibles et d’un système de transmission optique sans fil

Concepts for Wearable Technology in MR : Lightweight Flexible Radio Frequency Coils and Optical Wireless Communication

• Auteur / Autrice : Lena Nohava
• Direction : Jean-Christophe Ginefri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie et physique médicale
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'imagerie biomédicale multimodale Paris-Saclay (Orsay, Essonne ; 2020-....) - Medizinische Universität Wien. High Field MR Center
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Maxim Zaitsev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simon Lambert, Irena Zivkovic, Marie Poirier-Quinot, Elmar Laistler, Andrew Webb, Jacques Felblinger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Simon Lambert, Irena Zivkovic

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structures flexibles

Capteurs (technologie)

Radiofréquences

Imagerie par résonance magnétique à très haut champ

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Imagerie par Résonance Magnétique (IRM)

Radiofréquence (RF)

Haut champ

Flexible

Transmission sans fil

Instrumentation portable

Magnetic Resonance Imaging (MRI)

Radio frequency (RF)

High field

Flexible

Wireless transmission

Wearable technology

Résumé

Ce projet doctoral a été réalisé au laboratoire BioMaps de l'Université Paris-Saclay et au CMPBME de l'Université Médicale de Vienne. Afin d’améliorer la valeur diagnostique de l'IRM, il est souhaitable de réduire les durées d’acquisition, d’avoir une prise en charge plus efficace des patients et une meilleure qualité des images. Dans ce but, une instrumentation portable avec un matériel optimisé permettrait de réduire le poids, d’augmenter la flexibilité et de transmettre sans fil les signaux RMN, améliorant ainsi la sensibilité, le confort, la sécurité et la facilité d'utilisation de ces dispositifs.Dans ce contexte, nous avons étudié des antennes RF souples à câbles coaxiaux basées sur le principe des résonateurs à lignes à transmission. Ces résonateurs, pouvant posséder plusieurs tours et/ou plusieurs fentes, permettent d'optimiser la taille de l’antenne RF en fonction de l'application visée. Le concept a d'abord été étudiée in silico. De nombreux prototypes ont été construits et leurs performances ont été testées sur table et en IRM à 3 et 7 T. Les antennes coaxiales ont révélé avoir des performances robustes à la déformation, ne dégradent pas le TAS et peuvent améliorer le RSB et l'efficacité de transmission lorsqu'elles sont conformées au relief de la zone imagée. En parallèle, nous avons mené une étude approfondie des technologies de transmission sans fil en IRM. Un premier prototype de communication optique sans fil pour la transmission de données de capteurs de mouvements a été réalisé et testé. Les antennes coaxiales portables que nous avons étudiées offrent une alternative intéressante aux antennes standard en raison de leur faible poids et de leur flexibilité.

This PhD thesis work was conducted at the BioMaps laboratory at the Université Paris-Saclay and the Center for Medical Physics and Biomedical Engineering (CMPBME) at the Medical University of Vienna.To improve diagnostic value in MRI, shorter acquisitions, more efficient patient handling and improved image quality are needed. Wearable technology with optimized hardware reduces weight, increases flexibility, and could be wireless, thereby improving sensitivity, comfort, safety, and usability.In this work, flexible self-resonant coaxial transmission line resonators were investigated. Coaxial coils with multiple turns and gaps enable size optimization depending on the target application. The design was first studied in silico. Numerous prototypes were constructed and their performance was tested on the bench and in 3 and 7 T MRI. Coaxial coils were shown to be robust against bending, have no SAR penalty and improve SNR and transmit efficiency when form-fitted.A review of wireless MR, associated hardware developments and data transmission technology is given.An optical wireless communication module for sensor data transmission was demonstrated experimentally.Wearable coaxial coils offer an attractive alternative to standard coils due to low weight and flexibility. With wireless motion sensors diagnostic value in e.g. breast, knee, or cardiac MRI could be increased.