Ecole Doctorale

Sciences de la Vie et de la Santé

Spécialité

Biologie-Santé - Spécialité Pathologie Vasculaire et Nutrition

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Ultra-Haut-Champ IRM,Métamatériaux,Antennes radiofréquence,Fractales,Inhomogénéités de B1+,Homogénéisation RF passif

Keywords

Ultra-high field MRI,Metamaterials,RF coils,Fractals,B1+ inhomogeneities,Passive RF shimming

Titre de thèse

Métamatériaux pour améliorer la qualité de l'image en imagerie par résonance magnétique à ultra-haut champ
Metamaterials for image quality enhancement in Ultra-High Field Magnetic Resonance Imaging

Date

Mercredi 17 Novembre 2021 à 14:00

Adresse

Faculté de Médecine, 27 Boulevard Jean Moulin, 13385 Marseille Salle de visioconférence

Jury

Directeur de these M. Frank KOBER Centre de Résonance Magnétique Biologique et Médicale (CRMBM) - UMR 7339
Rapporteur M. Andrew WEBB C.J.Gorter High Field Magnetic Resonance Center, LUMC
Rapporteur M. Simon LAMBERT Université Claude Bernard Lyon 1
Examinateur Mme Sophie BRASSELET Institut Fresnel UMR 7249
Examinateur Mme Marie POIRIER-QUINOT BioMaps
Examinateur M. Stanislav GLYBOVSKI ITMO University

Résumé de la thèse

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est l'une des techniques d'imagerie non invasive les plus puissantes. Elle permet de détecter un large spectre de maladies dans l'ensemble du corps humain. Les progrès réalisés dans le développement matériel ont permis d'obtenir des champs magnétiques plus élevés, ce qui a conduit à des images de meilleure qualité. Cependant, les champs magnétiques plus puissants et la haute permittivité électromagnétique des milieux dans le corps humain se traduisent par une longueur d'onde plus courte des champs de radiofréquence (RF), ce qui produit un effet d'ombrage dû à une variation spatiale du champ RF. Ce problème est important car des structures du corps peuvent être masquées sur l'image. Dans les systèmes d'IRM à ultra-haut champ (7T), cet effet se produit dans des volumes plus petits comme la tête, faisant de l'inhomogénéité RF l'un des principaux facteurs empêchant ces systèmes à bénéficier de leur plein potentiel. Dans ce travail de thèse, les métamatériaux sont proposés comme une approche viable pour atténuer ces effets. Les métamatériaux sont des matériaux synthétiques ayant la capacité de manipuler les champs électromagnétiques. Ils ont été largement étudiés dans des domaines tels que l'optique, mais leur intérêt pour l'IRM a commencé à croître récemment. En termes d’application, l'objectif de cette thèse était de démontrer que les métamatériaux sont polyvalents et peuvent contribuer à l'amélioration des inhomogénéités liées aux longueurs d'onde RF dans diverses situations pour différentes intensités de champ. Trois applications de métamatériaux ont été explorées théoriquement et expérimentalement. Nous avons exploré les métamatériaux basés sur des tiges couplées fonctionnant selon le principe des modes d'hybridation ainsi que les métamatériaux d'inspiration fractale. Dans une première étude dans le cadre de l'IRM préclinique des petits animaux, il a été démontré qu'un métamatériau à tiges couplées étend en effet la zone d'imagerie d'une bobine de surface multinucléaire de souris à 7T permettant ainsi de réaliser l'imagerie du corps entier en proton avec un RSB plus élevé qu'une bobine de volume de grand diamètre. De plus, la structure a pu être adaptée à la fréquence de résonance du fluor permettant d’obtenir des images et des spectres de fluor. Ce concept a également été testé sur une bobine de surface pour le proton à 17T pour l'imagerie cérébrale du rat permettant ainsi d'observer la tête complète et une plus grande partie de la moelle épinière. Ces études précliniques ont été utilisées comme une première étape pour comprendre la nature et le comportement des métamatériaux afin de les appliquer éventuellement dans un cadre clinique. Dans une deuxième étude, nous avons ciblé les inhomogénéités présentes en IRM cérébrale humaine à 7T. En utilisant des métamatériaux inspirés par des fractales couplés à une bobine en cage d'oiseau, nous avons amélioré le signal IRM dans les deux lobes temporaux simultanément. Dans une troisième étude, nous avons utilisé des métamatériaux à tiges couplées pour atténuer l'effet de raccourcissement d'ondes dans le bassin à 3T, une région fréquemment ciblée dans des examens IRM cliniques. Nous avons démontré l'adaptabilité des métamatériaux dans différentes applications IRM, en les faisant passer d'études précliniques à des études cliniques à différents champs magnétiques. Les idées et les prototypes développés dans cette thèse ouvrent la possibilité d'études supplémentaires et d'applications dans lesquelles l'IRM peut grandement bénéficier des métamatériaux. Dans un contexte où les intensités du champ magnétique en IRM augmentent continuellement, le contrôle de l'uniformité du champ RF est devenu primordial. Les métamatériaux apparaissent comme des outils moins chers et très efficaces pour améliorer la distribution des champs RF, contribuant à exploiter pleinement les capacités des systèmes d'IRM à champ ultra-élevé.

Thesis resume

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is one of the most powerful, non-invasive imaging techniques, allowing the detection of a large range of diseases in the entire human body. The advances in hardware developments have led to higher magnetic fields, boosting the signal-to-noise ratio (SNR) and in some cases tissue contrast, resulting in higher quality images. However, stronger magnetic fields and the high electromagnetic permittivity of the media present in the human body translate into shorter wavelengths of the radiofrequency (RF) fields used to form an image. Thus, the human body in the MR system becomes non negligible with respect to the incoming RF waves, resulting in a shading effect due to a spatial variation of the RF field magnitude and phase across the field of view (FOV). It is vital to address this problem since important structures of the body may be masked on the image. Such effect is already visible when imaging large volumes at 3 teslas (T) like the abdomen or pelvis. In the most recently available ultra-high field (UHF) MRI 7 T systems this effect occurs at smaller volumes such as the head, turning the RF inhomogeneity into one of the major factors preventing the full potential of these systems. In the underlying thesis, metamaterials are proposed as a viable approach to mitigate these effects. Metamaterials are synthetic materials with the ability to modify and manipulate the electromagnetic fields. They have been extensively studied and exploited in domains such as optics and telecommunications, however in the MRI domain their interest started growing recently. The properties of metamaterials make them remarkable candidates to efficiently redistribute the magnetic fields generated by the existing radiofrequency coils, enhancing the signal in the regions with lower signal. The application goal of this thesis was to demonstrate that metamaterials are versatile and can contribute to the improvement of the RF-wavelength-related inhomogeneities in diverse situations for different field strengths. Three metamaterial applications were explored theoretically with electromagnetic field simulations and experimentally in vitro and in vivo. We explored metamaterials based on coupled wires working under the principle of hybridization modes as well as fractal-inspired metamaterials. In a first study for preclinical small-animal MRI, it was demonstrated that a coupled-wire metamaterial expands the imaging area of a mouse multinuclear (multi-frequency) surface coil at 7 T to perform proton whole-body imaging with higher SNR than a birdcage coil and flour images and spectroscopy. Then, this concept was tested on a proton surface coil at 17 T for rat brain imaging which made it possible to observe the complete head and a larger part of the spinal cord of the rat. These preclinical studies were used as a first step to understand the nature and behavior of metamaterial pads to eventually apply them in a clinical setting. In a second study, we targeted the inhomogeneities at 7T human head. By using fractal-inspired metamaterial pads coupled to a birdcage coil we were able to enhance the two temporal lobes simultaneously. In a third study we used coupled-wire metamaterial pads to mitigate the wavelength reduction effect in the pelvis at 3 T, a typical target region. We have demonstrated the adaptability of metamaterials in different MRI applications, taking them from preclinical to clinical studies at different magnetic fields. The ideas and prototypes developed in this thesis open the possibility towards further studies an applications in which MRI may greatly benefit from metamaterials. In an environment where MRI field strengths are continuously growing, control of the RF field uniformity has reached primary importance. Metamaterials appear as inexpensive and highly efficient tools for improving the distribution of RF fields, contributing to fully exploit the capabilities of ultrahigh-field MRI systems.