A new method for the simulation of radio frequency (RF) coils has been developed. This method utilizes the FEM simulation package Ansoft HFSS as a base for the modeling of RF coils with complex biological loading effects. The abilities of this software have been augmented with custom MATLAB code to enable the fast prediction of lumped element values needed to properly tune and match the coil structure as well as to perform the necessary post processing of simulation data in order to quickly generate and evaluate field data of the resonating coil and compare design variations. This method was evaluated for accuracy and implemented in the re-design of an existing four channel breast coil array for clinical imaging of the female breasts. Based on the simulation results, a commercially viable printed circuit board (PCB) implementation was developed and tested in a clinical 1.5 T MR scanner. The new design allows for wide open bilateral access to the breast regions in order to accommodate various interventional procedures. The layout has also increased axillary B1 field coverage with minor penalty to the signal-to-noise ratio of the coil array, enabling high-resolution imaging over a wide field-of-view.

This thesis considers the feasibility of using the electromagnetic techniques to monitor the wear of the refractory base of a glass-making furnace. The research focuses in building a system that is able to provide measurements of the distance to the molten glass in this demanding high temperature application. The main challenge in this project is to eliminate the effect of the refractory supporting steel structure and still be able to detect and exploit a much smaller signal from the molten glass. In order to differentiate between the molten glass and the steel supports, a multi-coil, multi-frequency technique was proposed, studied and implemented in this research.

En microscopie IRM, la sensibilité de détection est critique pour obtenir des images avec un rapport signal sur bruit suffisant car l’intensité du signal RMN devient extrêmement faible. Une stratégie alternative à l’utilisation de champs statiques élevés consiste à améliorer les performances des antennes radiofréquences qui détectent le signal d’IRM. Plus particulièrement, la stratégie dans laquelle s’inscrit ce travail de thèse vise à exploiter la haute sensibilité des antennes miniatures supraconductrices basées sur le principe des résonateurs monolithiques à ligne de transmission avec comme objectif à terme la mise en réseau de ce type d’antennes. Le développement d’un tel réseau représente un enjeu instrumental majeur car cela permet de profiter de la haute sensibilité intrinsèque des antennes miniatures supraconductrices tout en autorisant l’observation de zones étendues ou en profondeur. Cependant, les caractéristiques géométriques de ces antennes et la nature des matériaux utilisés posent des difficultés importantes pour réaliser les opérations d’accord, d’adaptation, ou découplage mutuel lors de leur utilisation en IRM. Dans le cadre de cette thèse, nous avons conduit des travaux abordant ces différentes problématiques et permettant la mise œuvre d’un réseau supraconducteur pour l’imagerie haute résolution à champ clinique.Nous avons développé en premier lieu un système permettant de réaliser automatiquement et sans contact l’accord et l’adaptation des antennes miniatures monolithiques. Ce système utilise des techniques, basées sur le couplage électrique et magnétique, que nous avons préalablement étudiées en utilisant différentes méthodes. Les performances de ce système ont été étudiées et la faisabilité de sa mise en œuvre dans une expérience d’IRM a été établie.Nous avons abordé en second lieu le problème de découplage mutuel des éléments constituant un réseau. Pour cela, des techniques de découplage potentiellement compatibles avec les antennes miniatures supraconductrices ont été étudiées. En particulier, la technique de découplage par anneau de blindage a été investie en profondeur, par simulation numérique et expérimentalement, et nous avons développé un modèle analytique d’optimisation du niveau de découplage accessible par cette technique. Nous avons mis en œuvre et validé cette technique avec des réseaux en cuivre de quatre antennes et des premiers essais ont été conduits avec un réseau constitué de deux antennes miniatures supraconductrices. / In MRI microscopy, the sensitivity of the detection is a critical issue for acquiring images with high signal to noise ratio because the amount of NMR signal is extremely low. An alternative to the use of high field strength is to improve the performances of the radiofrequency coil that detect the NRM signal. In particular, the strategy underlying the present work aims at exploiting the high sensitivity of miniature superconducting coils based on the monolithic design of transmission line resonators, with the long term objective of implementing an array of these coils. The development of such array represents an important instrumental stake since it allows for benefiting from the intrinsically high sensitivity of miniature superconducting coils while allowing the observation of extended region of interest. However, the highly compact structure, the small size of the coil and the nature of the material used make rise important difficulties for achieving the tuning, matching and mutual decoupling when using these coils in MRI. In the frame of this PhD project, with conducted works to address these problematics and allow for implementing a superconducting array for high resolution imaging at clinical filed strength.We have firstly developed a control system which allows for automatic and contactless tuning and matching of miniature monolithic coils. This system uses techniques based on electric and magnetic coupling, that we beforehand investigated using various methods. The performances of this system were studied and the feasibility of implementing it in an MRI experiment was established.The second part of this work addresses the issue of mutual decoupling between the elements of an array elements. To this end, decoupling techniques being potentially compatible with miniature superconducting coils have been studied. In particular the decoupling technique using shielding rings has been deeply investigated, by numerical simulation and experimentally, and we have developed an analytical model for optimizing the decoupling level achievable with this technic. We have implemented and validated this technic with a four-element copper coil array and first trials were performed with an array of two miniature.superconducting coils.

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil d’investigation majeur donnant accès de manière non invasive à des nombreuses informations quantitatives et fonctionnelles. La qualité des images obtenues (rapport-signal-sur-bruit, RSB) est cependant limitée dans certaines applications nécessitant des résolutions spatiales et/ou temporelles poussées. Afin d’améliorer la sensibilité de détection des équipements d’IRM, diverses orientations peuvent être suivies telles qu’augmenter l’intensité du champ magnétique des imageurs, améliorer les performances des systèmes de détection radiofréquence (RF), ou encore développer des séquences d’acquisition et des techniques de reconstruction d’images plus efficaces. La thématique globale dans laquelle s’inscrit cette thèse concerne le développement des systèmes de détection RF à haute sensibilité pour l’IRM à haut champ chez l’homme. En particulier, des antennes auto-résonantes basées sur le principe des lignes de transmission sont utilisées parce qu’elles peuvent être réalisée sur substrat souple. Cette adaptabilité géométrique du résonateur permet d’ajuster précisément sa forme aux spécificités morphologiques de la zone anatomique observée, et ainsi d’augmenter le RSB. La première visée technologique de ce projet concerne le développement, de la conception jusqu’à la mise en œuvre dans un appareil 7 T corps entier, d’un système de détection RF flexible à haute sensibilité, utilisant des antennes miniatures associées en réseau. L’utilisation d’un réseau d’antennes miniatures permet d’obtenir des images sur un champ de vue élargi tout en conservant la haute sensibilité inhérente à chaque antenne miniature. De plus, la technologie de l’imagerie parallèle devient accessible, ce qui permet d’accélérer l’acquisition des images. De surcroît, un nouveau schéma de résonateur de ligne transmission avec un degré de liberté supplémentaire est introduit, ce qui permet de réaliser de grands résonateurs multi-tours pour l’IRM à haut champ. Cette thèse décrit le développement, la mise en œuvre et l’évaluation des nouveaux systèmes de détection RF au moyen de simulations analytiques et numériques, et des études expérimentales. / Magnetic resonance imaging (MRI), among other imaging techniques, has become a major backbone of modern medical diagnostics. MRI enables the non-invasive combined, identification of anatomical structures, functional and chemical properties, especially in soft tissues. Nonetheless, applications requiring very high spatial and/or temporal resolution are often limited by the available signal-to-noise ratio (SNR) in MR experiments. Since first clinical applications, image quality in MRI has been constantly improved by applying one or several of the following strategies: increasing the static magnetic field strength, improvement of the radiofrequency (RF) detection system, development of specialized acquisition sequences and optimization of image reconstruction techniques. This work is concerned with the development of highly sensitive RF detection systems for biomedical ultra-high field MRI. In particular, auto-resonant RF coils based on transmission line technology are investigated. These resonators may be fabricated on flexible substrate which enables form-fitting of the RF detector to the target anatomy, leading to a significant SNR gain. The main objective of this work is the development of a flexible RF coil array for high-resolution MRI on a human whole-body 7 T MR scanner. With coil arrays, the intrinsically high SNR of small surface coils may be exploited for an extended field of view. Further, parallel imaging techniques are accessible with RF array technology, allowing acceleration of the image acquisition. Secondly, in this PhD project a novel design for transmission line resonators is developed, that brings an additional degree of freedom in geometric design and enables the fabrication of large multi-turn resonators for high field MR applications. This thesis describes the development, successful implementation and evaluation of novel, mechanically flexible RF devices by analytical and 3D electromagnetic simulations, in bench measurements and in MRI experiments.