Imagerie par Résonance Magnétique à très bas champ pour l'imagerie du cerveau

Very low field Magnetic Resonance Imaging for brain imaging

• Auteur / Autrice : Samson Lecurieux Lafayette
• Direction : Claude Fermon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie Poirier-Quinot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Broche, Olivier Klein, Geneviève Tastevin, Dominique Massiot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Broche, Olivier Klein

Mots clés

Mots clés contrôlés

Relaxation magnétique nucléaire

Champs magnétiques

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

IRM

Champs magnétiques faibles

Dispositif médical

Capteurs magnétiques

Imagerie cérébrale

MRI

Very low field

Biomedical device

Magnetic sensor

Brain imaging

Résumé

Ces 40 dernières années, l’IRM a été l’une des grandes avancées en termes d’imagerie médicale. Elle repose sur le principe de résonance magnétique nucléaire et permet l’exploration des tissus mous, et plus spécifiquement du cerveau. Les dernières avancées ont permis d’améliorer la qualité d’image, notamment en augmentant le champ magnétique. L’IRM classique à haut champ possède un champ principal entre 1.5 et 7T. En plus des améliorations sur les bobines de champ magnétique, la recherche s’est également portée sur les séquences d’acquisitions. Cela a mené à des images mieux contrastées, acquises plus rapidement ou encore permettant l’observation de nouveaux biomarqueurs. Cependant un système IRM est coûteux, et demande une certaine complexité d’installation. C’est pourquoi la tendance du très voire ultra bas champ émerge depuis peu. Ces IRM ne requièrent pas d’aimant supraconducteur, peuvent être compacte et la faiblesse du champ permet d’accepter des patients usuellement exclus de l’IRM traditionnelle. Cette thèse effectuée au LNO porte sur la conception et l’amélioration d’un IRM à 10mT. Par cette caractéristique, les principales contraintes sont un faible signal sur bruit, et par conséquent des temps d’acquisition potentiellement plus long mais un système totalement silencieux et relativement ouvert. Dans cette thèse, une première partie est consacrée au système en mettant en évidence les différences fondamentales entre le très bas champ et le haut champ. Cela couvre en particulier le champ principal, les bobines de gradients, les antennes, le bruit intrinsèque et environnant. Nous avons essayé d’optimiser la réception du signal et testant en particulier la mise en place d’un système d’acquisition parallèle à deux et quatre capteurs sur l’IRM à très bas champ. Un logiciel d’acquisition a été produit pour pouvoir créer des séquences plus complexes afin d’optimiser l’échantillonnage de l’espace de k. En plus de l’écho de spin cartésien, l’écho de gradient et l’acquisition radiale sont utilisées. Les résultats du compressed sensing sont discutés. De même, un nouveau spectromètre est mis en place pour permettre un meilleur contrôle et une précision accrue des paramètres d’acquisition. Les méthodes de reconstruction fft et nfft ont été implémentés à notre workflow pour les nouvelles séquences. De plus, des méthodes de combinaison pour l’acquisition parallèle ont été introduites, ainsi que des méthodes de débruitage post-acquisition. Les résultats sur la qualité d’image fonction des paramètres d’acquisition sont exposés. Des mesures préliminaires de temps de relaxation T1 et T2 sont effectuées, ainsi que des cartes T1 et T2. Toutes les mesures sont faites sur fantôme. En cours de thèse, l’IRM a été déplacé à Neurospin pour accéder aux protocoles cliniques.

Over the past 40 years, MRI has been one of the great advances in medical imaging. It is based on the principle of nuclear magnetic resonance and allows the exploration of soft tissues, and more specifically the brain. The latest advances have improved image quality, particularly by increasing the magnetic field. The classical high field MRI has a main field between 1.5 and 7T. In addition to improvements in the magnetic field coils, research has also focused on the acquisition sequences. This has led to better contrasted images, acquired more rapidly or allowing the observation of new biomarkers. However, an MRI system is expensive and requires a certain complexity of installation. This is why the trend of very or ultra low field is emerging. These MRI systems do not require a superconducting magnet and can be compact and the low field strength allows to accept patients usually excluded from traditional MRI. This thesis carried out at the LNO focuses on the design and improvement of a 10mT MRI. By this characteristic, the main constraints are a low signal-to-noise ratio, and therefore potentially longer acquisition times but a totally silent and relatively open system. In this thesis, a first part is dedicated to the system by highlighting the fundamental differences between the very low field and the high field. This covers in particular the main field, the gradient coils, the antennas, the intrinsic and surrounding noise. We tried to optimize the signal reception and tested in particular the implementation of a parallel acquisition system with two and four sensors on the very low field MRI. An acquisition software has been produced to be able to create more complex sequences in order to optimize the k-space sampling. In addition to Cartesian spin echo, gradient echo and radial acquisition are used. The results of compressed sensing are discussed. Also, a new spectrometer is implemented to allow a better control and accuracy of the acquisition parameters. The fft and nfft reconstruction methods have been implemented in our workflow for the new sequences. In addition, combination methods for parallel acquisition have been introduced, as well as post-acquisition denoising methods. Results on image quality as a function of acquisition parameters are presented. Preliminary measurements of T1 and T2 relaxation times are performed, as well as T1 and T2 maps. All measurements are made on phantom. During the thesis, the MRI was moved to Neurospin to access clinical protocols.