Optimisation par approche physique des micro-antennes RMN fabriquées par Techniques Microélectroniques : Etude Théorique et Expérimentale

Optimization of NMR micro-antennas, designed by Microelectronic Techniques using physical approach : Theoretical and Experimental Study

• Auteur / Autrice : Tien Truong Cong
• Direction : Latifa Fakri-Bouchet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nano technologie
• Date : Soutenance le 01/07/2014
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image et du Son, UMR5515 (Lyon, Rhône ; 1995-2006)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Barbier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Latifa Fakri-Bouchet, Daniel Barbier, Claude Fermon, Souhil Megherbi, Abdelhamid Errachid el Salhi, Abdennasser Fakri, Philippe Lecoeur, Huy Hoang Pham
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claude Fermon, Souhil Megherbi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie par résonance magnétique

Mots clés libres

Imagerie médicale

Microantenne

Antenne planaire

Antenne de surface

Spectroscopie RMN

Inductance

Résistance

Distribution du courant

Antenne implantable

Performance SNR

Performance LOD

Medical Imaging

Microantennas

PLanar antenna

Surface antenna

RMN spectroscopy

Inductance

Current distribution

Résumé

Le concept de micro capteurs RMN (nommés aussi micro-antennes ou antennes aiguilles) pourrait conduire à des outils d'analyse fiables capables d'assurer la reproductibilité de mesures en spectroscopie RMN haute résolution. Leur emploi deviendra ainsi envisageable pour des applications in vivo. A notre connaissance, aucune étude in vivo utilisant ces micro-bobines ''high-tech'' n’a été rapportée. Le principal avantage de ce type de dispositifs est la possibilité d’observer une micro région d'intérêt bien définie, noyée dans un grand volume. A l’inverse, le principal inconvénient est le manque de sensibilité car l’efficacité des micro-antennes actuelles souffre de plusieurs paramètres (petite valeur d'inductance par rapport à l'inductance de fils de connexion, le bruit dû au fort couplage avec l’échantillon...etc.). Notre approche initiale réalisée in vitro dans le cadre des travaux de thèse de N. Baxan (2008) (http://www.spectroscopynow.com) et de A. Kadjo (2011), ne peut être mis en œuvre in vivo sans un travail complémentaire important. C’est d’une importance capitale car dans ce cas le signal RMN est si petit qu’il est comparable au bruit thermique. Une façon ''simple'', mais non moins aisée, d’optimiser l’efficacité d’une antenne est une conception minutieuse et une maîtrise des paramètres géométriques conditionnant les propriétés physiques et électriques. La partie principale des ''micro-antennes aiguilles'' implantables est la bobine aux bornes de laquelle la tension est induite. Elle est décrite schématiquement par une résistance et une inductance dont les valeurs impactent directement et fortement sur les principaux critères de performances en RMN: le rapport signal sur bruit (SNR) et les limites de détection (LOD). La fabrication de ces micro-antennes (500x1000µm2), est réalisée à l’aide de techniques de microélectroniques fort coûteuses. La modélisation et la simulation numériques s’avèrent des outils essentiels amplement justifiés. La majeure partie de ce travail est consacré à l’optimisation de ces microantennes. Les résultats de principes physiques visant à optimiser leurs paramètres géométriques sont décrits à travers la prédiction des paramètres électriques: la self inductance, l’inductance mutuelle et les pertes additionnelles dues à l’effet de peau et de proximité. L’originalité de ce travail, à la fois théorique et expérimental réside, dans: (i) la traduction de verrous technologiques en problématiques fondamentales, (ii) Le développement d’un ''Logiciel maison'' qui sans avoir la prétention de rivaliser avec les logiciels commerciaux, peut s’étendre à d'autre configuration plus complexes de micro-antennes ou d'antennes RMN et cibler au mieux les besoins des ''RMN’iste-Antenn-istes'' tout en leur offrant un gain en temps et en coût non négligeables.

The concept of NMR microsensors (named also microantennas or needle coils) could lead to reliable analysis tools able to ensure the reproducibility of high resolution spectroscopic measurements, making possible to consider their use for in vivo applications. To the best of our knowledge, no in vivo study has been done with such ''high-tech micro coils''. The main advantage of this device kind is the possibility to observe a well-defined micro region of interest in a large volume. On the opposite, the main drawback resides in the poor sensitivity of the device since the efficiency of presently designed microcoils suffers from several misadjustments (small inductance value of the useful wires compared to the inductance of connecting wires, strong coupling noise with sample ...etc.). Our initial approach carried out in vitro that presented in (http://www. spectroscopynow.com) and in thesis of N. Baxan (2008) and A. Kadjo (2011), cannot be realized in vivo without a very important complementary work. This is of crucial importance, because the source signals are so small as to be comparable to the thermal noise. The simplest approach to increase antennas efficiency is a careful design and accuracy of geometric parameters influencing the physical and electrical properties. The main part of the implantable ''needle antenna'' is the loop where the voltage is induced. It is schematically described by a resistance and inductance that modify directly and strongly the NMR performance criteria: signal to noise ratio (SNR) and the limits of detection (LOD). The design of such micro-antennas (500x1000µm2) is performed using microelectronic techniques that are very expensive. Thus modeling and numerical simulation are essential tools amply justified. The bulk of this work dedicates to the optimization of these microantennas, describes the results of the applied physical principles to improve their geometric parameters through the prediction of their electrical parameters: the self-inductance, mutual inductance and the additional losses caused by skin effect and proximity. The originality of this work is: (i) the conversion of technological point in question to fundamental issues, (ii) The development of a ''homemade software'' which, no pretend to compete with commercial software, can be extended to design of more complex configuration of NMR antennas or microantennas. It could also better target specific needs of designers of NMR antennas and users, providing them a time gain and a cost reduction.