Abstract In this thesis, the theory of static magnetic resonance spectral parameters of nuclear magnetic resonance (NMR) and electron spin resonance (ESR) spectroscopy is investigated in terms of the molecular Breit-Pauli Hamiltonian, which is obtained from the relativistic Dirac equation via the Foldy-Wouthuysen transformation. A leading-order perturbational relativistic theory of NMR nuclear shielding and spin-spin coupling tensors, and ESR electronic g-tensor, is presented. In addition, the possibility of external magnetic-field dependency of NMR parameters is discussed. Various first-principles methods of electronic structure theory and the role of one-electron basis sets and their performance in magnetic resonance properties in terms of their completeness profiles are discussed. The presented leading-order perturbational relativistic theories of NMR nuclear shielding tensors and ESR electronic g-tensors, as well as the theory of the magnetic-field dependent NMR shielding and quadrupole coupling are evaluated using first-principles wave function and density-functional theories.

La MRAM est une technologie de mémoire non-volatile émergente, elle a la particularité de stocker les données sous forme d’orientations de moments magnétiques. Ses performances sont intéressantes et surpassent les technologies actuelles sur plusieurs aspects. Crocus Technology développe une nouvelle génération de MRAM, les TAS-MRAM (pour ThermallyAssistedSwitching MRAM). Ces MRAM ont la particularité d’effectuer les opérations d’écritures à hautes températures, améliorant ainsi la consommation électrique et facilitant sa réduction d’échelle. Les TAS-MRAM sont développées pour des applications sécuritaires ou critiques, cependant la technologie MRAM utilise des principes physiques liés aux interactions magnétiques qui sont relativement peu étudiés en termes de sécurité du composant.L’objet du travail de cette thèse est d’évaluer les potentielles faiblesses de sécurité pour cette technologie. En particulier la capacité des MRAM à garantir l’intégrité et la confidentialité des informations qui sont stockées a été étudiée. Ce travail est divisé en deux parties, une première partie est consacrée à l’analyse de la résistance des MRAM aux attaques physiques avec un focus tout particulier sur l’étude des effets des champs magnétiques sur l’écriture, la lecture et la rétention des données ainsi que les différentes solutions envisagées pour réduire ces effets. Une étude des effets de la température a également été réalisée. L’autre partie du travail porte sur l’étude des émissions électromagnétiques et l’analyse de plusieurs méthodes pour retrouver le poids de Hamming des données manipulées par la mémoire et de ce fait en extraire de potentiels secrets ou données sensibles. / MRAM (magnetoresistive RAM) is an emergent non-volatile memory technology; it has the particularity to store data in magnetic moments orientations. It has very interesting characteristics that overwhelm mature technologies on several points. Crocus Technology is developing a new MRAM technology called TAS-MRAM (for Thermally Assisted Switching). During write operations, this new MRAM technology uses a current to heat the memory cell. This reduces the power consumption and makes scalability easier. TAS-MRAM are developed for secure or critical applications but this technology relies on spintronic, a field of physics not much studied for electronics security.This work aims to evaluate potential security weaknesses of this technology. More specifically the memory capacity to guarantee data confidentiality was studied. This work was divided in two parts; one part is dedicated to the analysis of MRAM resistance against physical perturbations, with a special focus on magnetic fields (both static and pulsed) effects on read and write operations as well as their effects on data retention. Various methods to reduce these effects were tested and compared. The effect of high temperature was also studied.The second part focuses on the analysis of electromagnetic emissions of the MRAM components during its operations. Methods to retrieve the Hamming weight of data written in the memory are exposed and compared.

Deux approches potentiellement anti-tumorales, employant des nanoparticules magnétiques (NPMs) et des champs magnétiques oscillants, furent étudiées. La première, l’hyperthermie magnétique, utilise l’échauffement de NPMs au contact des cellules tumorales provoqué par un champ magnétique alternatif haute-fréquence. Durant cette thèse, il fut démontré que les forces magnéto-mécaniques induites par les inhomogénéités de champ magnétique pendant un essai d’hyperthermie magnétique n’avaient aucune influence sur la viabilité cellulaire. Egalement, des mesures magnétiques, d’XPS, et de puissance de chauffe de NPMs de fer enrobées d’une coquille de silice amorphe furent effectuées et analysées. Il fut observé que cette coquille permettait de préserver les propriétés magnétiques des NPMs suite à l’exposition à un environnement aqueux. La deuxième approche anti-tumorale utilise des NPMs soumises à un champ magnétique basse-fréquence, induisant une stimulation mécanique des cellules tumorales. Une étude théorique complète de l’influence du champ magnétique, de l’agitation thermique et des interactions magnétiques sur la force magnéto-mécanique exercée par des NPMs, fut effectuée. Elle démontra notamment que cette force augmente de manière drastique pour une assemblée de NPMs lorsque la rotation du champ magnétique induit une rupture de symétrie dans l’évolution temporelle du couple magnéto-mécanique. Expérimentalement, il fut développé différents prototypes de génération de champ magnétique tournant à basse fréquence. Des tests in vitro furent réalisés en utilisant des NPMs enrobées par une matrice de phosphatidylcholine, leur permettant d’être solidaires des membranes cellulaires. Suite à la rotation d’un champ magnétique de 40 ou 380 mT, à 10 Hz, il fut observé une réduction de la survie cellulaire. / Two anti-tumor treatments based on magnetic nanoparticles (MNPs) and oscillating magnetic field were studied. The first one, magnetic hyperthermia, uses the heat released by MNPs in contact with tumor cells under a high frequency alternating magnetic field. We have shown that the forces induced by magnetic field inhomogeneity during magnetic hyperthermia essay no influence on cellular viability. Moreover, magnetic measurements, XPS characterization and heating power evaluation of iron MNPs coated by amorphous silica shell were carried out. It was observed that this shell is able to preserve the MNP magnetic properties submitted to an aqueous environment. The second anti-tumor treatment combines MNPs and low-frequency magnetic field, inducing mechanical stress to tumor cells. A complete theoretical study on the influence of magnetic field, thermal agitation and magnetic interaction on the magneto-mechanical forces generated by the MNPs was carried out. It was demonstrated that for a MNP assembly this force increases dramatically when the rotation of the magnetic field induces a break of time reversal symmetry on the magneto-mechanical torque. Experimentally, several devices generating low frequency rotating magnetic fields were developed. Using these devices, in-vitro essays were also achieved using phosphatidylcholine coated MNPs, which bind to cellular membranes. An application of a 40 or 380 mT magnetic field rotating at 10 Hz reduced cell survival rate.

En augmentant la distribution des ressources dans l'espace, la fragmentation du paysage contraint le mouvement des organismes. Deux types de stratégies adaptatives antagonistes ont été mises en évidence en réponse à cette pression : une diminution ou une augmentation de la propension et de la capacité des organismes à se déplacer. La majorité de la littérature traite de la diminution des mouvements en réponse à la fragmentation du paysage. En étudiant un organisme contraint de traverser la matrice pour achever son cycle de vie (i.e. Bufo bufo), je me suis intéressée à la stratégie d'augmentation et d'optimisation des mouvements en réponse à la fragmentation. Peu d'études permettent de conclure sur l'existence de plasticité phénotypique, d'effets maternels ou d'évolution des traits liés au mouvement en réponse à la fragmentation. J'ai ainsi inclus dans ma démarche expérimentale des élevages en conditions standardisées afin d'étudier l'évolution des caractéristiques du mouvement en réponse à la fragmentation. Plus précisément, j'ai étudié l'évolution des capacités de navigation en m'intéressant à la vitesse dévolution, à la base magnétique et à l'influence de l'orientation vectorielle sur la dispersion. Je me suis également intéressée à l'évolution du comportement exploratoire en réponse à la fragmentation / Landscape fragmentation increases resource distribution and constrains animal movements. Two kinds of adaptive strategy have been revealed in response to this selective pressure: an increase or a decrease of animal capacity and propensity to move. I studied the resistance strategy (i.e. increase of movements) which is poorly documented in the literature. To do so I focused on an organism facing the need to cross the matrix to achieve its life cycle (Bufo bufo). Only a few studies enable to disentangle phenotypic plasticity, maternal effect and evolution of movement characteristics. I used common garden rearing and cross-breeding experiments in order to focus on the evolutionary dimension of movement characteristics changes induced by landscape fragmentation. More precisely, I studied the evolution of navigation capacities by focusing on vector orientation, its evolutionary rate, its genetic basis, its magnetic basis and its influence on dispersal. I also studied the evolution of the exploratory behaviour in response to landscape fragmentation and searched for convergent evolution of this behaviour

Magnetism in a solid | dia, para, ferro, or of other forms | originates majorly from its electrons; one could, infact, ignore the nuclear contribution. There are two types of electrons in a solid: bound, and free (also called itinerant). It is interesting to note that although several experimental techniques exist that measure the total magnetization/ susceptibility of a solid, no experiment directly probes the individual magnetic contributions from the bound and the itinerant electrons. In the past couple of decades, owing to the advent of sophisticated fabrication facilities, certain man-made, (ferro)magnetic materials have come into existence whose carrier concentrations can be tuned extrinsically: doped semiconductors like DMS (diluted magnetic semiconductors) and hexaborides are two such examples. However, whether the (ferro) magnetism in these materials originate from their itinerant carriers is still an open question. A conclusive answer to this question is eagerly awaited by the scientific community; the answer is not only supposed to solve debates related to the physics of ferromagnetism, but, also, should lend a helping hand in selecting right materials to build devices for upcoming exotic technologies such as Spintronics. A novel experimental technique is proposed in this work that directly measures the itinerant carrier magnetism of a solid. The technique is practically demonstrated on the bulk semiconductor: n-type GaAs. A Landau-Peierls itinerant (dia)magnetic susceptibility as low as 1 10 8 cm 3/mol | which is 10 3 times smaller than the magnetic background stemming from the bound electrons in the GaAs host lattice, and 10 times lower than the sensitivity limit of the SQUID | was clearly, and reproducibly detected from samples having carrier concentrations as low as 5 10 15 cm 3. The technique relies on measurements with MIS capacitors fabricated out of the given semiconductor. Unfortunately, as an artifact, such MIS fabrication processes unintentionally, but unavoidably, introduce certain energy levels in the semiconductor band-gap that unwantedly communicate with its bands by trapping and releasing carriers. Such traps lie along the interface of the semiconductor and the oxide. Though clear signals, which match with theoretically estimated signals within acceptable accuracy, have been measured from the itinerant electrons in GaAs, this work demonstrates theoretical calculations showing that the signals decrease in magnitude owing to the presence of such interface traps. Quantifying this decrement comes as an added advantage of this work, because such measurements can then directly probe the MIS interface and find the concentration of the interface traps (Dit) more accurately and precisely than what is done at present. Thus, the experimental technique this work proposes can also probe a given MIS interface, using time-varying magnetic fields, and reveal a more accurate and precise measure of Dit. Otherwise, the existing techniques for measuring Dit su er from imprecision caused by several theoretical assumptions. A more general technique which can extract Dit accurately and precisely, without needing to know the particular physical model that the interface traps follow for a given MIS capacitor, is what one requires at present, to give CMOS technology the direction and impetus it needs to cross-over to the non-Silicon territory. Such a technique is theoretically developed in this work. How a magnetic field a effects the MIS Energy Band Diagram is also derived in the process. The technique that is developed and demonstrated in this thesis, capable of directly probing both the itinerant magnetism and the MIS interface of a given semiconductor, depends on successfully measuring a very small voltage drop across a MIS capacitor when the latter is externally subjected to a high, time-varying magnetic field. This voltage signal originates because the semiconductor's electronic density of states depends on the magnetic field, thus rendering the semiconductor's electron chemical potential, i.e. the Fermi level, magnetic field dependent. The idea of detecting such magnetic field dependence of electron chemical potential was theoretically proposed more than five decades back, but an experimental detection of the phenomenon, in any bulk (i.e. three dimensional) solid, had remained elusive despite numerous trials. Virtually, the topic had been `dead' for the past couple of decades with very few reports (of trials) getting published on it. The primary reason behind such a failure is an interesting spurious effect that arises and overshadows the signal otherwise coming from the magnetic shift of the electron chemical potential. This is the spurious Hall voltage caused by the time-varying magnetic field and the eddy current it induces in the semiconductor following Faraday's Law of Electromagnetic Induction. Unless this Hall voltage can be reduced below a threshold, there is no hope of successfully measuring the sample signal. In this work, we have discussed about this spurious effect in details and have given experimental recipes to avoid it from interfering with the data. Infact the data we publish for n-GaAs is free from any such spurious effects. From that viewpoint, this work becomes the first to report the experimental detection of the magnetic field dependence of a Fermi level in any bulk solid. A common pulse magnet capable of producing high magnetic field pulses, lasting for only some tens of milliseconds, was built and used for the purpose of this work. For certain samples other than GaAs, however, the spurious Hall voltage may be larger and the proposed technique may fail as one may not be able to rule out the spurious effect with the simple recipe demonstrated here for GaAs. In such a case, measurements are encouraged, instead, in a special magnet uniquely developed to rule out the Hall voltage. This magnet was constructed in-house, and can sit on a table-top and generate magnetic fields as high as a few Teslas that can, further, be `temporally shaped' by the user. Such a class of pulse magnets whose pulse waveforms can be programmed over time are called controlled waveform magnets (CWMs) and the work presented in this thesis also demonstrates the construction and calibration of such a CWM.

La Résonance Quadrupolaire Nucléaire (RQN) est une technique spectroscopique appliquée à l’état solide et qui ne nécessite aucun champ magnétique statique contrairement à la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Elle permet de détecter, les molécules qui contiennent un noyau quadrupolaire (tel que l'azote-14). La RQN de l’azote-14 suscite un intérêt particulier car elle s'avère utile dans la détection de drogues et d’explosifs, qui contiennent, pour la plupart, des molécules azotées. Cette thèse porte en premier lieu sur l’amélioration de la qualité spectrale en résonance quadrupolaire (RQN) de l’azote-14. Ainsi, nous nous sommes préoccupés des signaux transitoires (ringing) qui suivent l’impulsion radiofréquence (rf) et qui masquent en partie le signal RQN. Nous avons d’abord montré, par une étude théorique et expérimentale, que les mesures à basse puissance (< 3Watts) étaient possibles, ce qui nous a permis de diminuer l’amplitude du ringing. De plus, grâce à ce mode de fonctionnement (basse puissance), nous avons pu proposer un circuit original de commutation du facteur de qualité (Q-switch) basé sur un commutateur rf CMOS et qui a permis de diminuer la durée du ringing. La seconde partie traite de l’influence d’un champ magnétique statique faible amplitude et des divers paramètres expérimentaux en RQN de l’azote-14. Dans le cas où le tenseur de gradient de champ électrique est de symétrie axiale, nous avons observé des élargissements, voire des doublets Zeeman. En revanche, dans le cas général (absence de symetrie), nous avons mis en évidence la possibilité définir le tenseur de gradient de champ électrique à partir de la forme de raie d’une seule transition au lieu de deux transitions (sans champ magnétique statique). Ce dernier résultat pourrait permettre de diminuer de moitié le temps nécessaire à la caractérisation d’une nouvelle molécule azotée. / Nuclear quadrupole resonance (NQR) is a solid-state spectroscopic technique which doesn't require a static magnetic field in contrast to Nuclear Magnetic Resonance (NMR). It is used to detect molecules containing quadrupole nuclei (such as nitrogen-14). Nitrogen-14 quadrupole resonance is of particular interest because it is useful in the detection of drugs and explosives, which contain mostly of nitrogen molecules. In this thesis we have primarily focused on improving the spectral quality in nitrogen-14 quadrupole resonance (NQR) . Thus, we were concerned with the transient signals ( ringing ) following the radiofrequency (rf) pulse and which partly overwhelm the NQR signal. First, we demonstrated by theoretical and experimental study that low power measurements (< 3Watts ) were possible, allowing us to reduce the ringing amplitude. In addition, through this mode ( low power ), we have proposed an original quality factor switching circuit (Q -switch ) based on rf CMOS switch and which has reduced the ringing duration. The second part deals with the effect of a weak static magnetic field and various experimental parameters in nitrogen-14 quadrupole resonance. In the case of an axially symmetric electric field gradient tensor, we observed broadening or Zeeman doublets. By contrast, in the general case (no symmetry), we demonstrated the possibility to define the electric field gradient tensor from the line shape of a single transition instead of two transitions ( without static magnetic field ). This result reduces by half the time required for the characterization of a new nitrogen molecule.

Les résultats présentés dans cette thèse portent sur la construction et la simulation numérique de modèles théoriques de plasmas en présence d'une paroi absorbante. Ces modèles se basent sur des systèmes de Vlasov-Poisson ou Vlasov-Ampère à deux espèces en présence de conditions limites. Les solutions stationnaires recherchées vérifient l'équilibre des flux de charges dans la direction perpendiculaire à la paroi. Cette propriété s'appelle l'ambipolarité. A travers l'étude d'une équation de Poisson non linéaire, on montre le caractère bien posé d'un système de Vlasov-Poisson stationnaire 1d-1v pour lequel on détermine des distributions de particules entrantes et un potential au mur qui induisent l'ambipolarité et une densité de charge positive. On donne également une estimation de la taille de la couche limite au mur. Ces résultats sont illustrés numériquement. On prouve ensuite la stabilité linéaire des solutions stationnaires électroniques pour un modèle de Vlasov-Ampère instationnaire. Enfin, on étudie un modèle de Vlasov-Poisson stationnaire 1d-3v en présence d'un champ magnétique constant et parallèle à la paroi. On détermine les distributions de particules entrantes et un potentiel au mur qui induisent l'ambipolarité. On étudie une équation de Poisson non linéaire associée au modèle à l'aide d'une fonctionnelle non linéaire d'énergie qui admet des minimiseurs. On établit des bornes de paramètres à l'intérieur desquelles notre modèle s'applique et on propose une interprétation des résultats. / This thesis focuses on the construction and the numerical simulation theoretical models of plasmas in interaction with an absorbing wall. These models are based on two species Vlasov-Poisson or Vlasov-Ampère systems in the presence of boundary conditions. The expected stationary solutions must verify the balance of the flux of charges in the orthogonal direction to the wall. This feature is called the ambipolarity.Through the study of a non linear Poisson equation, we prove the well-posedness of 1d-1v stationary Vlasov-Poisson system, for which we determine incoming particles distributions and a wall potential that induces the ambipolarity as well as a non negative charge density hold. We also give a quantitative estimates of the thickness of the boundary layer that develops at the wall. These results are illustrated numerically. We prove the linear stability of the electronic stationary solution for a non-stationary Vlasov-Ampère system. Finally, we study a 1d-3v stationary Vlasov-Poisson system in the presence of a constant and parallel to the wall magnetic field . We determine incoming particles distributions and a wall potential so that the ambipolarity holds. We study a non linear Poisson equation through a non linear functional energy that admits minimizers. We established some bounds on the numerical parameters inside which, our model is relevant and we propose an interpretation of the results.

Une impulsion laser intense se propageant dans un plasma sous-dense (ne<<nc) déplace les électrons sur son passage et crée une onde de sillage à même d'accélérer des électrons. Lorsque l'impulsion est très intense (I₀> 10¹⁸ W.cm⁻²) et de durée très courte (τ₀< 100 fs), , on atteint le régime de la bulle. Les champs électriques dans ces bulles, de l’ordre de 100 GV/m, peuvent accélérer un faisceau d’électrons jusqu’au GeV sur des distances de l’ordre du centimètre. Dans ce régime, les électrons expulsés par la force pondéromotrice du laser forment une fine et dense couche à la surface d'une cavité d'ions restés immobiles. Les propriétés de ce régime sont examinées par l’intermédiaire d’un modèle analytique, que nous avons développé en nous inspirant du travail de W. Lu et S. Yi. En nous plaçant dans ce régime prometteur, nous avons étudié les mécanismes d’injection et de piégeage dans l'onde de sillage. Dans l’injection optique, les polarisations parallèles ou circulaires positives conduisent respectivement à une injection mettant en jeu du chauffage stochastique, ou à l’injection froide. Un paramètre de similarité est introduit, celui-ci permet de déterminer la méthode d’injection la plus appropriée pour maximiser la charge injectée. Enfin, le modèle analytique présenté en première partie est étendu afin d’étudier l’onde de sillage dans le régime de la bulle lorsqu’un champ magnétique longitudinal initial est appliqué au plasma. Lorsque le plasma est magnétisé deux phénomènes remarquables se manifestent, d'une part une ouverture apparaît à l'arrière de la bulle et d'autre part un mécanisme d'amplification du champ magnétique longitudinale est induit par la variation du flux magnétique. Les prédictions de notre modèle analytique sont confrontées aux résultats de simulations PIC 3D issues du code CALDER-Circ. La conséquence immédiate de la déformation de l'onde de sillage est la réduction, voire la suppression de l'auto-injection. L’application d’un champ magnétique longitudinal, combinée à un choix judicieux des paramètres laser-plasma, permet de réduire la dispersion en énergie des faisceaux d’électrons produits après injection optique. / An intense laser pulse propagating in an under dense plasma (ne<<nc) expels electrons and a wakefield is created which can accelerate efficiently electrons. When the laser pulse is very intense (I₀> 10¹⁸ W.cm⁻²) and short(τ₀< 100 fs), the bubble regime is reached. Within the bubble the electric field can exceed 100 GV/m and a trapped electron beam is accelerated to GeV energy with few centimetres of plasma.In this regime, the electrons expelled by the laser ponderomotive force are brought back and form a dense sheath layer. First, an analytic model was derived using W. Lu and S. Yi formalisms in order to investigate the properties of the wakefield in the blowout regime. In a second part, the trapping and injection mechanisms into the wakefield were studied. When the optical injection scheme is used, electrons may undergo stochastic heating or cold injection depending on the lasers’ polarisations. A similarity parameter was introduced to find out the most appropriate method to maximise the trapped charge. In a third part, our analytic model is extended to investigate the influence of an initially applied longitudinal magnetic field on the laser wakefield in the bubble regime. When the plasma is magnetized two remarkable phenomena occur. Firstly the bubble is opened at its rear, and secondly the longitudinal magnetic field is amplified - at the rear of the bubble - due to the azimuthal current induced by the variation of the magnetic flux. The predictions of our analytic model were shown to be in agreement with 3D PIC simulation results obtained with Calder-Circ. In most situations the wake shape is altered and self-injection can be reduced or even cancelled by the applied magnetic field. However, the application of a longitudinal magnetic field, combined with a careful choice of laser-plasma parameters, reduces the energy spread of the electron beam produced after optical injection.

Le trouble bipolaire est un trouble de l'humeur récurrent affectant de 1 à 3% de la population adulte à travers le monde et ayant une comorbidité importante avec une hausse du taux de suicides, l'abus de drogues et d'autres troubles médicaux. Ce trouble semble avoir plusieurs liens avec la schizophrénie et une vulnérabilité au trouble est souvent héréditaire dans une famille. Même si les causes biologiques n'ont pas encore été établies, de nombreuses anomalies dans le système limbique sous-cortical et la zone préfrontal ont été observés.Depuis sa découverte il y a plus d'un demi-siècle, une prise de sels de Lithium a été le traitement le plus fiable, mais l'action biochimique du Lithium sur le cerveau et le pourquoi de l'efficacité du traitement reste un mystère. Afin de pouvoir mieux comprendre cet effet, nous avons développé des séquences d'imagerie du Lithium-7 via résonance magnétique à 7 et 17 Tesla afin de pouvoir établir sa distribution et concentration cérébrale. Spécifiquement, j'ai travaillé sur le développement et la validation des méthodes d'acquisition, de reconstruction et de quantification de notre protocole. Ces méthodes ont d'abord été appliqués afin d'étudier la distribution cérébrale du Lithium sur des cerveaux de rats ex-vivo. Ces rats étés traités pendant 28 jours avec du Li2CO3, sacrifiés et leurs têtes fixés avec du PFA. En utilisant une antenne surfacique double canaux 1H/7Li fait maison, une acquisition 7Li Turbo Spin echo et une méthode de remplacement par fantôme pour la quantification, nous avons pu mesurer les cartes de concentration du Lithium. Les concentrations moyennes obtenus dans des régions d’intérêt prédéfinis ont été mesurés afin de les comparer avec les résultats obtenus par spectrométrie de masse.Après cette étude préclinique qui a permis de valider notre approche, un protocole similaire fut créé pour une étude in-vivo 7Li d'imagerie par résonance magnétique chez des patients bipolaires euthymiques sur un scanner 7T. Ces individus ont tous suivis un traitement régulier de Lithium. Pour cette étude, nous avons utilisé une séquence Steady State Free Precession à TE ultra-court et avec un échantillonnage du k-space non-cartésien. Un pipeline de quantification et d'analyse similaire à celle utilisé pour notre étude préclinique fut appliqué pour cette étude, avec l'ajout d'une étape de correction pour les inhomogénéités de B0. Après avoir fait une analyse statistique au niveau de toute la cohorte par régions d'intérêt, il a été observé que l'hippocampe gauche, une part majeur du système limbique associé au trouble bipolaire à de multiples occasions, possède systématiquement une haute concentration de Lithium. Finalement, la méthode de quantification fut modifiée en quantification bi-compartimentale afin de prendre en compte les différences dans les taux de relaxation du Lithium dans le CSF et dans le parenchyme du cerveau. Cette méthode fut appliqué afin de pouvoir quantifier le Lithium à 7T dans un sous-groupe des patients bipolaires et radicalement réduire les différences initialement observés entre les séquences SSFP et bSSFP. / Bipolar disorder is a chronic affective disorder affecting 1 to 3% of the adult population worldwide and has a high level of comorbidity with suicide rates, substance abuse and other harmful conditions. The disorder has possible ties to schizophrenia and has been observed to have a strong genetic component. The exact biological underpinnings have not been firmly established, however abnormalities in limbic subcortical and prefrontal areas have been observed.Ever since its discovery more than half a century ago, a daily intake of Lithium salts has arguably become the most reliable treatment of the disorder, despite us possessing little to no understanding of its biochemical action. In order to shed some light on the effect of Lithium in the brain, we have developed Lithium-7 MR imaging at 7 and 17 Tesla in order to assess its cerebral concentration and distribution. Specifically, I worked on developing and validating several acquisition, reconstruction and quantification methods dedicated to 7Li MRI and MRS. Those methods were first applied to study ex vivo the cerebral distribution of lithium in rats. These rats were pretreated for 28 days with Li2CO3, sacrificed and their head fixated with PFA. Using a home-made 1H/7Li radiofrequency surface coil and a 7Li Turbo Spin echo acquisition and a modified phantom replacement method for quantification, we were able to measure Li concentration maps. Regional Li concentration values were then compared with those obtained with mass spectrometry.After this preclinical proof-of-concept study, an in vivo 7Li MRI protocol was designed to map the cerebral Li concentration in euthymic bipolar subjects at 7T. These individuals all followed a regular lithium treatment. For this study, we chose to use an ultra-short echo-time Steady State Free Precession sequence with non-Cartesian k-space sampling. A quantification and analysis pipeline similar to the one used for our preclinical study was applied for this study, with the addition of a correction step for B0 inhomogeneities. After conducting a statistical analysis at the cohort level, it was assessed that the left hippocampus, a major part of the limbic system that has been associated with BD on multiple occasions, exhibited systematically a high level of lithium. Finally, I developed a quantification method accounting for the different relaxation times of 7Li in the CSF and in the brain parenchyma. This method was applied to image lithium at 7T in a subset of bipolar patients reducing drastically the differences initially observed between the SSFP and bSSFP sequences.

The purpose of this work is the design of a gaussmeter with a three-axis probe for magnetic field mapping and subsequent reconstruction of the image using magnetic impedance tomography. Commercially available gaussmeters have low bandwidth for these purposes, and signals cannot be measured in synchronous detection mode. The aim of the thesis is select the most suitable magnetic field sensors for the MIT purposes and to design the entire measuring device to meet the measurement requirements in the wider frequency band and synchronous detection. Attention will also be paid to designing a suitable mechanical design of the probe and the location of the sensors. The proposed device will be tested and evaluated for MIT purposes.