Conception d'impulsions radiofréquence en transmission parallèle pour la sélection homogène de tranches et leur application à l'angiographie en temps de vol du cerveau humain en IRM à 7 Tesla

par Gaël Saïb

Thèse de doctorat en Imagerie et physique médicale

Sous la direction de Alexis Amadon.

Le président du jury était Jérôme Hodel.

Le jury était composé de Alexis Amadon, Jérôme Hodel, Paulo Loureiro de Sousa, Laurent Le Brusquet.

Les rapporteurs étaient Jérôme Hodel, Paulo Loureiro de Sousa.


  • Résumé

    L’IRM à ultra haut champ (UHC) donne accès à une résolution spatiale submillimétrique rendant possible la visualisation de structures plus fines qu’en IRM classique. Depuis quelques années, son potentiel s’est développé dans des laboratoires tels que NeuroSpin, au sein du CEA, qui a l’ambition d’étudier l’anatomie et le fonctionnement du cerveau à une échelle mésoscopique. Toutefois, pour des champs magnétiques supérieurs à 3T, le champ radiofréquence (RF) permettant d’exciter les protons de l’eau a une longueur d’onde inférieure à la dimension de la tête humaine, provoquant des phénomènes d’interférences destructives dans le cerveau. Ceux-ci s’accentuent avec l’augmentation du champ statique, engendrant sur les images des inhomogénéités de signal ou de contraste, qui empêchent d’exploiter tout le potentiel de l’imagerie UHC. Pour améliorer la pertinence des diagnostics cliniques, à défaut de pouvoir homogénéiser le champ RF dans tout le cerveau, il est essentiel de réussir à uniformiser l’excitation des spins. Dans ce but, un système de transmission parallèle (pTx) à 8 canaux a été intégré à l’imageur 7T du laboratoire. Il permet d’émettre sur chaque canal des formes d’impulsions RF différentes, à optimiser pour faire interférer le champ RF produit dans le cerveau de manière plus contrôlée que dans le mode classique à un seul canal d’émission. Ces travaux de thèse consistent à mettre au point des impulsions RF utilisant la pTx pour sélectionner des tranches d’excitation uniforme, et à les appliquer à l’angiographie du cerveau humain à 7T. A UHC, la méthode la plus courante pour homogénéiser l’angle de bascule de l’aimantation dans une coupe consiste à générer consécutivement plusieurs impulsions sélectives optimisées, appelées « spokes », à différentes positions du plan transverse à la coupe dans l’espace de Fourier de transmission. Si elle convient pour uniformiser l’excitation dans le plan de coupe, cette méthode est moins performante pour la sélection de larges tranches car les inhomogénéités de champ RF ne sont alors pas prises en compte dans l’épaisseur de tranche. Ainsi, dans un premier temps, deux méthodes originales de conception d’impulsions RF sélectives sont introduites et explorées pour uniformiser l’excitation de larges tranches : celle des « kT-spokes » qui optimise le placement des spokes dans les 3 dimensions de l’espace de Fourier de transmission, et celle des « spokes 3D » qui génère des impulsions RF optimisées point par point dans le temps. Ces techniques ont été validées avec succès sur des fantômes à 7T et ont permis de surpasser l’état de l’art en termes d’homogénéisation de l’angle de bascule pour la sélection de larges tranches. Dans un deuxième temps, ces méthodes ont été appliquées à la séquence d’angiographie 3D en temps de vol afin d’améliorer la visualisation du réseau artériel dans le cerveau humain à 7T. Cependant, lorsque les tranches sélectionnées sont larges, cette séquence est aussi sensible aux effets de saturation du sang qui empêchent d’apprécier la totalité du réseau artériel avec les profils de tranche d’angles de bascule plats habituels. Pour corriger ce phénomène, les impulsions RF à rampes sont proposées dans l’état de l’art, générant des profils d’angle de bascule qui augmentent avec l’épaisseur de la tranche. Les méthodes de conception d’impulsions RF développées ici ont ainsi été adaptées pour générer ce type de profils et permettre de compenser la saturation du sang avec succès dans les acquisitions à 7T. Ces travaux de thèse ont permis d’ouvrir la voie à une nouvelle application à NeuroSpin puisque l’angiographie n’y avait pas encore été explorée malgré le fort potentiel des UHC pour cette modalité. En outre, les méthodes développées au cours de ces travaux permettent l’excitation simultanée de tranches homogènes, constituant ainsi une perspective prometteuse pour accélérer les acquisitions et repousser les limites de résolution spatiale de l’angiographie en temps de vol à 7T.

  • Titre traduit

    Radiofrequency pulse design with parallel transmission for uniform large slab selections and their application to Time-Of-Flight MR angiography of the human brain at 7T


  • Résumé

    Ultra-high field (UHF) MRI allows submillimetric spatial resolution in order to depict finer structures compared to conventional MRI. In recent years, the UHF potential has been explored in laboratories such as NeuroSpin, at Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA), to study brain anatomy and function at a mesoscopic scale. However, for high magnetic field strengths (> 3 Tesla), the radiofrequency (RF) field required to excite the water protons has a wavelength shorter than the size of the human head, causing destructive interferences in the brain. These increase with the static field strength leading to signal or contrast inhomogeneity artefacts on brain images, hindering the UHF benefits. However, failing to homogenize the RF field produced in the brain does not preclude from homogenizing the spin excitation to improve image quality and perform better clinical diagnosis. For this purpose, NeuroSpin’s 7T scanner has been equipped with an 8-channel parallel transmission system allowing to transmit independent optimized RF shapes on each channel in order to better control RF field interferences than in conventional single transmit channel. This thesis work focuses on RF pulse design strategies using parallel transmission to select slabs uniformly and on their applications to magnetic resonance angiography (MRA) of the human brain at 7T. In the UHF context, the most common method to homogenize the magnetization flip angle in a slice consists in combining several consecutive optimized selective excitations, so-called “spokes” subpulses, in different locations of the plane transverse to the slice in transmit k-space. Even though this method succeeds in homogenizing the in-plane excitation, its performance is not optimal in large slabs because through-slab RF inhomogeneities are not taken into account. In a first step, two original selective pulse design methods are introduced and explored to homogenize large slab selections: the “kT-spoke” method which optimizes the spoke placements in the three dimensions of the transmit k-space, and the “3D spokes” which consist in optimizing the RF subpulses point by point in time. These methods have been successfully validated in phantoms at 7T and surpassed the state of the art performance in terms of flip angle homogeneity in large slab selections. In a second step, these methods are applied to 3D Time-Of-Flight (TOF) MR angiography to improve the visualization of the arterial network in the human brain at 7T. As most MRI sequences, TOF is particularly sensitive to RF field heterogeneities. Moreover, for large uniform slab excitation, blood saturation effects prevent the depiction of the arterial network before slab exit. To correct for these effects, ramp RF pulses are proposed in the state-of-the-art, generating ascending flip angle profiles through the slab. The RF pulse design methods developed hereby were adapted to generate these profiles, successfully compensating blood saturation in 7T acquisitions. This work paves the way to a new clinical application at NeuroSpin, where MR angiography had not been explored yet, despite the high benefit of UHF for this modality. In addition, the methods developed hereby were also adapted for simultaneous multi-slice excitations. This allows promising perspectives to accelerate acquisitions and push further away the limits of TOF angiography in terms of spatial resolution.


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