Développement d'une antenne conformée au patient, basée sur des métamatériaux et des techniques d'électronique imprimée, et dédiée à l'IRM à bas champ magnétique (<=0.1T)

Developement of a subject-conformal receive coil based on metamaterial and advanced printed electronic techniques dedicated to low field MRI (<=0.1T)

• Auteur / Autrice : Marie-Anais Petit
• Direction : Stefan Enoch, Delphine Bechevet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
• Date : Inscription en doctorat le 03/04/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut FRESNEL - Sciences et Technologies de l'Optique, l'Electromagnétisme, et l'Image

Mots clés

Mots clés libres

Irm

Métamatériaux

Antenne

Mri

Metamaterial

Coil

Résumé

Ce projet de doctorat vise le développement d'une bobine de réception conformée au patient, basée sur des métamatériaux et des techniques d'électronique imprimée avancées, et dédiée à l'IRM à bas champ (<=0,1T). La faible sensibilité de la technique d'IRM oriente le développement du matériel vers des systèmes à champ magnétique élevé. L'augmentation de l'intensité du champ magnétique implique cependant une augmentation des coûts, de l'encombrement et des problèmes de sécurité. Ces inconvénients limitent l'accessibilité à la technique, en particulier dans les services de soins intensifs. Mais cet intérêt de longue date pour les champs magnétiques élevés est actuellement remis en question, d'une part, par la crise énergétique qui confronte la communauté des chercheurs à la grave pénurie d'hélium qui se profile (mettant en péril les systèmes d'IRM actuels). D'autre part, la crise du Covid19 a mis en évidence la nécessité de disposer de systèmes accessibles, fiables et largement répandus pour faire face efficacement à tout problème de santé mondial. Les résultats d'un travail de bachelor mené à l'HEdS sur les nouvelles applications de l'IRM à faible champ ont montré que parmi les radiologues et les techniciens, environ la moitié des personnes interrogées (N=54) étaient intéressées par une formation à l'utilisation des systèmes d'IRM « point-of-care » (poc). Près d'un tiers des personnes interrogées pensaient que les systèmes poc pourraient avoir un avenir dans le paysage médical, et plus d'un tiers pensaient que les images à faible champ devraient être incluses dans le programme de formation des radiologues et des techniciens. Ces résultats montrent un remodelage actuel des mentalités en faveur de l'inclusion de l'IRM à faible champ dans la routine clinique, et confirment le regain d'intérêt pour l'IRM poc déjà impliqué par les développements récents. Malgré une meilleure distribution des courbes de relaxation à bas champ, conduisant à des contrastes plus marqués entre les tissus humains (information principale du diagnostic IRM), la technique souffre d'un mauvais rapport signal/bruit (RSB), le niveau de polarisation étant proportionnel au champ magnétique principal du système. Pour améliorer le RSB, il faut d'abord se concentrer sur l'amélioration de l'annulation du bruit, qui ne concerne que la gestion de la chaîne RF (le bruit provenant du patient étant négligeable dans ce contexte). La principale source potentielle de bruit RF restante serait imputée à la bobine et à son préamplificateur. Nous prévoyons donc d'exploiter un préamplificateur à faible niveau de bruit et de développer une bobine conformée au patient, basée sur une électronique imprimée avancée et des matériaux qui ont des propriétés électromagnétiques capables d'augmenter le champ magnétique local (métamatériaux), afin de s'attaquer à la limitation du bruit et à l'amélioration du signal en même temps. L'adaptation de la bobine à la morphologie du patient rapproche les récepteurs, limitant la capture du bruit et améliorant la réception du signal. En outre, la construction d'une bobine polyvalente réduirait les coûts d'acquisition du système d'IRM et diminuerait considérablement le poids de l'ensemble de l'équipement, des considérations importantes dans l'approche poc. Le développement de ce type d'antenne permettrait de réduire davantage l'écart de RSB entre les images obtenues à haut champ et à bas champ, ce qui faciliterait la transposition de l'approche IRM poc à la routine clinique, comme cela a déjà été prouvé dans le contexte de l'exploration du cerveau. Pour ce projet, nous visons à explorer la valeur ajoutée au diagnostic du pied diabétique puisqu'un diagnostic précis basé sur un examen IRM joue un rôle important dans la gestion des patients souffrant de complications du pied diabétique qui partagent souvent des critères morphologiques (obésité, restrictions de mouvement) ou de logement (maison de retraite) qui souligneraient l'utilité de l'approche poc.

This PhD project aims at developing a subject-conformal receive coil based on metamaterial and advanced printed electronic techniques dedicated to low field MRI (<=0.1T) The intrinsic low Boltzmann polarisation, thus low sensitivity of the MRI technique, drove the development of hardware towards high magnetic field systems. Increasing magnetic field intensity though implies increase of costs, footprint, and safety concerns. Those drawbacks consequently limit the accessibility to the technique, especially in critical care environments. But this long-lasting focus on high field is currently challenged by, on one hand, the energetic crisis confronting the research community to the serious Helium shortage profiling in sight and putting actual MRI systems at risk. Conversely, the Covid19 crisis highlighted the need for accessible, reliable, widely spread systems, to efficiently face any global health problem. Results from a co-supervised bachelor thesis conducted at HEdS about novel low-field MRI applications, showed that among medical imaging community (radiologists and radiographers), about half interviewed (N=54) were interested in being trained at point-of-care (poc) MRI systems utilization. Almost one third thought that poc systems could have a future in medical landscape, and over a third thought that low-field images should be included in both radiologists and radiographers training program. Those results show a current remodelling of mentalities in favour of low-field MRI inclusion into the clinical practice routine, and confirm the renewed interest for poc MRI already implied by recent developments. Until now, low field studies have always consisted in niche research and latest main advances in coils design mainly profited to more mainstream, thus more funded, research studies towards high magnetic fields related developments. Despite better distribution of the relaxation curves along time at low field, leading to stronger contrasts between human tissues (main information MRI brings to medical diagnostic), the technic suffers from poor signal to noise ratio (SNR), level of polarization being proportional to the system main magnetic field. To improve SNR, a first focus is on noise cancellation improvement, which only concerns RF chain management – noise coming from the patient being negligible in low field context. The remaining potentially main source of RF noise would impute the coil and its preamplifier. Thus, we plan to exploit a low noise figure preamplifier and develop subject conformal coil based on advanced printed electronics and artificially engineered materials (metamaterials) that have electromagnetic properties able to increase the local magnetic field, to tackle the noise limitation and the signal enhancement at the same time. The adaptation of the coil to the patient morphology brings receivers closer, limiting noise capture and improving signal reception. Moreover, building a multi-purpose coil would reduce MRI system acquisition costs and would significantly decrease the weight of the overall equipment, important considerations in poc approach. Several recent studies demonstrated the potential of metamaterial to boost SNR, offering the possibility to increase image resolution and scan efficiency. Developing cutting edge coils would further reduce the SNR gap between images obtained at high field and low field, facilitating the translation of poc MRI approach to clinical routine, as already proven in the context of brain exploration. For this project, we aim at exploring the value added to diabetic foot diagnostic since an accurate diagnosis based on MRI examination plays a significant role in the management of patients with complications of diabetic foot who frequently share morphologic (obesity, movement restrictions) or housing (nursing home) criteria that would highlight the poc approach utility.