Conception et réalisation de réseaux de réception pour l'IRM du cerveau humain à très haut champ

Design and implementation of receive arrays for ultra high field MRI of the human brain

• Auteur / Autrice : Paul-François Gapais
• Direction : Alexis Amadon, Michel Luong, Sajad Hossein Nezhadian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et imagerie médicale
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Building large instruments for neuroimaging: from population imaging to ultra-high magnetic fields (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie Poirier-Quinot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Craeye, Adriany Gregor, Redha Abdeddaim, Olivier Beuf
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Craeye, Adriany Gregor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Prototypage rapide

Modélisation électromagnétique

Antennes adaptatives

Imagerie par résonance magnétique à très haut champ

Mots clés libres

Irm

Antennes

Haut-Champ

Radio-Fréquence

Simulation électromagnétique

Fabrication additive

Mri

Coils

Ultra-High-Field

Radiofrequency

Electromagnetic simulations

Additive manufacturing

Résumé

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique non-invasive couramment utilisée en milieu clinique, reposant sur le principe de résonance magnétique nucléaire (RMN). L'augmentation du champ magnétique statique (noté B₀) s'associe à un meilleur rapport signal-sur-bruit. Afin de pleinement bénéficier du gain intrinsèque fourni par l'augmentation de B₀, les antennes radio-fréquence de réception du signal IRM se doivent d'être les plus performantes possibles. Ces dernières sont aujourd'hui constituées d'un grand nombre d'éléments de réception et associées à des préamplificateurs à très bas bruit.Dans cette thèse, le mécanisme de corrélation de bruit pour réseaux d'antenne est analysé. En se basant sur cette étude, nous proposons une routine de simulation électromagnétique plus complète que dans l'état de l'art. Grâce à cette routine de simulation, nous avons conçu deux réseaux de réception originaux à ultra-haut-champ. Le premier réseau constitué de deux couches de boucles (32 canaux au total) est destiné à l'étude du cerveau entier à 7 T. En utilisant une technique de fabrication additive pour imprimer en 3D les éléments de réception, et en construisant des préamplificateurs à découplage haute-impédance, nous proposons une antenne dont les performances mesurées sont compétitives avec l'antenne de référence du marché. Comparé à cette référence, les dimensions internes de notre antenne est plus large afin d'assurer un meilleur confort pour le sujet. Le second réseau de réception se focalise sur l'étude des lobes temporaux à 11,7 T avec un bonnet flexible de 32 boucles hexagonales couvrant les deux côtés de la tête du sujet. Les boucles fonctionnent avec la technologie dite "haute-impédance", permettant une meilleure robustesse vis-à-vis de la charge ainsi qu'un découplage plus efficace entre éléments, et sont associées à des préamplificateurs miniatures. Les résultats préliminaires démontrent un gain très significatif dans les régions temporales, comparé à une antenne cerveau entier.

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a non-invasive technique commonly used in clinical practice, based on the principle of nuclear magnetic resonance (NMR). Increasing the static magnetic field (denoted as B₀) is associated with a higher signal-to-noise ratio. To fully capitalize on the intrinsic gain provided by the increase in B₀, radio-frequency reception coils need to be as high-performing as possible. These coils now consist of a large number of reception elements and are paired with ultra-low-noise preamplifiers.In this thesis, the noise correlation mechanism for receive arrays is first analyzed. Building on this study, we present a complete electromagnetic simulation routine. Using this simulation routine, we have designed two original receive-arrays at ultra-high-field. The first array, consisting of two layers of loops (32 channels in total), is intended for whole-brain imaging at 7 T. Using additive manufacturing to 3D-print loops and building homemade high-input impedance preamplifiers, we propose a coil with measured performances close to the ones from a commercial coil. Compared to this reference, the internal dimensions of our coil are wider in order to ensure better patient comfort. The second array is focused on studying the temporal lobes at 11.7 T. The 32-channel receive array is built on a flexible cap made of hexagonal loops covering both sides of the subject's head. The loops make use of the "high-impedance" technology, allowing for better robustness against the load variation and more effective decoupling between elements. Paired with in-house miniaturized built preamplifiers, a compact system is proposed. Preliminary results demonstrate a significant gain in the temporal regions compared to a whole-brain receive array.