L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil important pour l’investigation qualitative et quantitative de la physiologie du cerveau. L’investigation de l’activité neuronale à l’aide de cette modalité est possible grâce à la détection de changements hémodynamiques qui surviennent de manière concomitante aux activités de signalisation des neurones, tels l’augmentation régionale du débit sanguin cérébral (CBF) ou encore la variation de la concentration de désoxyhémoglobine dans les vaisseaux veineux. Pour étudier la formation de contrastes fonctionnels qui découlent de ces phénomènes, deux séquences de pulses ont été développées en vue d’expériences en IRM fonctionnelle (IRMf) visant l’imagerie du signal oxygéno-dépendant BOLD ainsi que de la perfusion. Le premier objectif de cette thèse fut le développement d’une séquence de type écho-planar (EPI) permettant l’acquisition entrelacée d’images en mode échos de gradient (GRE-EPI) ainsi qu’en mode échos de spins (SE-EPI) pour l’évaluation de la performance de ces deux méthodes d’imagerie au cours d’une expérience en IRMf BOLD impliquant l’utilisation d’un stimulus visuel chez 4 sujets adultes sains. Le deuxième objectif principal de cette thèse fut le développement d’une séquence de marquage de spins artériels employant un module de marquage fonctionnant en mode pseudo-continu (pCASL) pour la quantification du CBF au repos. Cette séquence fut testée chez 3 sujets adultes en bonne santé et sa performance fut comparée à celle d’une séquence similaire développée par un groupe de recherche extérieur. Les résultats de l’expérience portant sur le contraste BOLD indiquent une supériorité de la performance du mode GRE-EPI vis-à-vis celle du mode SE-EPI en termes des valeurs moyennes du pourcentage de l’ampleur d’effet et du score t associés à l’activité neuronale en réponse au stimulus. L’expérience visant la quantification du CBF démontra la capacité de la séquence pCASL développée au cours de ce projet de calculer des valeurs de la perfusion de la matière grise ainsi que du cerveau entier se retrouvant dans une plage de valeurs qui sont physiologiquement acceptables, mais qui demeurent inférieures à celles obtenues par la séquence pCASL développée par le groupe de recherche extérieur. Des expériences futures seront effectuées pour optimiser le fonctionnement des séquences présentées dans ce mémoire en plus de quantifier l’efficacité d’inversion de la séquence pCASL. / Magnetic resonance imaging (MRI) is an important tool for the qualitative and quantitative investigation of brain physiology. The investigation of neuronal activation using this modality is made possible by the detection of concomitantly-arising hemodynamic changes in the brain’s vasculature, such as localized increases of the cerebral blood flow (CBF) or the variation of the concentration of paramagnetic deoxyhemoglobin in venous vessels. To study the formation of functional contrasts that stem from these changes in MRI, two pulse sequences were developed in this thesis to carry out experiments in blood oxygenation level dependent (BOLD) and perfusion functional MRI (fMRI). The first objective laid out in this work was the development of an echo planar imaging (EPI) sequence permitting the interleaved acquisition of images using gradient-echo EPI and spin-echo EPI to assess the performances of these imaging techniques in a BOLD fMRI experiment involving a visual stimulation paradigm in 4 healthy adult subjects. The second main objective of this thesis was the development of a pseudo-continuous arterial spin labelling (pCASL) sequence for the quantification of cerebral blood flow (CBF) at rest. This sequence was tested on 3 healthy adult subjects and compared to an externally-developed pCASL sequence to assess its performance. The results of the BOLD fMRI experiment indicated that the performance of GRE-EPI was superior to that of SE-EPI in terms of the average percent effect size and t-score associated with stimulus-driven neuronal activation. The CBF quantification experiment demonstrated the ability of the in-house pCASL sequence to compute values of CBF that are within a range of physiologically-acceptable values while remaining inferior to those computed using the externally-developed pCASL sequence. Future experiments will focus on the optimization of the sequences presented in this thesis as well as on the quantification of the pCASL sequence’s labelling efficiency.

Cette thèse porte sur l'utilisation de plusieurs techniques de diffusion de neutrons polarisés pour la conduite d'expériences de diffraction et de spectroscopie inélastique à haute résolution. Nous décrivons de façon exhaustive l'option à écho de spin neutronique résonant ZETA, installée sur le spectromètre triple axe thermique CRG IN22 à l'Institut Laue Langevin. Grâce à elle, nous étudions la structure nucléaire et la dynamique de spin de plusieurs systèmes modèles. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la série BaM2(XO4)2 (M = Co, Ni; X = As, P) dont les membres sont de bons exemples de systèmes magnétiques quasi-bidimensionnels. L'effet de la mise en ordre magnétique sur leurs paramètres de maille est révélé par diffraction de Larmor. De plus, nous montrons que l'évolution thermique de la durée de vie du mode de magnon optique dans BaNi2(PO4)2 est fortement affecté par la présence de défauts dans sa structure. Ensuite, nous abordons le composé à chaînes et échelles de spin 1/2 Sr14Cu24O41. Nous nous focalisons d'abord sur l'étude du pic inélastique associé au gap de spin des échelles et présentons une méthode capable de montrer de façon directe la dégénérescence de la transition concernée. Ensuite, nous évaluons sa largeur énergétique intrinsèque et observons l'effet des différentes mises en ordre de charge sur la structure cristallographique du matériau. Finalement, nous adaptons l'instrumentation disponible pour mener des expériences de réflectométrie résolues en temps, par le biais de la méthode MIEZE, sur une multicouche magnétique pouvant posséder des propriétés intéressante pour des applications en spintronique / This thesis is mainly concerned with the use of several polarized neutron scattering techniques for carrying high resolution diffraction and inelastic spectroscopy experiments. We describe exhaustively our neutron resonant spin-echo option ZETA, installed on the thermal triple-axis spectrometer CRG IN22 at Institut Laue Langevin. Through it, we study the nuclear structure and spin dynamics of several model systems. First, we are interested in the BaM2(XO4)2 (M = Co, Ni; X = As, P)-family which members are good prototypes of quasi-2D magnetic systems. The effect of magnetic ordering on lattice constants is revealed thanks to Larmor diffraction. Moreover, we show that the thermal evolution of optic magnon lifetime in BaNi2(PO4)2 is strongly affected by the presence of defects in its structure. Then, we address the spin-chain and -ladder compound Sr14Cu24O41. We first focus on the study of the inelastic peak associated with the spin gap in the ladders spectrum and introduce a method capable of showing directly the degeneracy of the associated spin transition. We also evaluate its intrinsic linewidth and observe the effect of different charge ordering process on the material crystallographic structure. Ultimately, we adapt our instrumentation to perform time-resolved reflectometry experiments on a magnetic multilayer which can possess interesting properties for spintronics applications, through the so-called MIEZE technique.

Magnetic resonance imaging is a routine and powerful diagnostic technique capable of providing detailed information about the structure and composition of the tissues. This diploma thesis is concerned with the mechanisms of contrast origin and contrast modifications by molecular and nanoparticle contrast agents. First sections of the thesis summarize basic knowledge about pulse sequences and it aims to provide an overview on MRI contrast agent with a special emphasis on paramagnetic gadolinium contrast agents and superparamagnetic nanoparticles. The main purpose of this study is to develop the software called MRICalc, which is able to optimize contrast in MRI images. Based on analysis of signal formula of typical pulse sequences, MRICalc is able to propose the parameters of the pulse sequence for compartment-specific enhancement of the contrast. User chooses from the list of the samples and after calculation he obtains the values of echo time, repetition time and flip angle, all of which simultaneously seem to create the appropriate setting to enhance the contrast. MRICalc also allows to plot contrast function with respect to the chosen parameter. Software, including its graphical user interface, is designed in Python. The sample consists from solution of CuSO4 and distilled water was designed to verify the correct function of MRICalc. Sulphate represents a contrast agent. Preclinical MR system Bruker BioSpec 94/30 USR located at Institute of Scientific Instruments of the ASCR, v.v.i was used to measure contrast curve of FLASH pulse sequence, which is a typical representative of gradient echo. Results of the measurement were compared to the theoretical model provided by MRICalc.

En Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), l’augmentation du champ magnétique statique permet en théorie de fournir un rapport signal sur bruit accru, améliorant la qualité des images. L’objectif de l’IRM à ultra haut champ est d’atteindre une résolution spatiale suffisamment haute pour pouvoir distinguer des structures si fines qu’elles sont actuellement impossibles à visualiser de façon non-invasive. Cependant, à de telles valeurs de champs magnétiques, la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique envoyé pour basculer les spins des protons de l’eau est du même ordre de grandeur que l’objet dont on souhaite faire l’image. Des phénomènes d’interférences sont observés, ce qui se traduit par l’inhomogénéité de ce champ radiofréquence (RF) au sein de l’objet. Ces interférences engendrent des artefacts de signal et/ou de contraste dans les images IRM, et rendent ainsi leur exploitation délicate. Il est donc crucial de fournir des solutions pour atténuer la non-uniformité de l’excitation des spins, à défaut de quoi de tels systèmes ne pourront atteindre leurs pleins potentiels. Pour obtenir des diagnostics pertinents à très haut champ, il est donc nécessaire de créer des impulsions RF homogénéisant l'excitation de l'ensemble des spins (ici du cerveau humain), optimisées pour chaque individu. Pour cela, un système de transmission parallèle (pTX) à 8 canaux a été installé au sein de notre imageur à 7 Tesla. Alors que la plupart des systèmes IRM cliniques n’utilisent qu’un seul canal d’émission, l’extension pTX permet de jouer différentes formes d’impulsions RF de concert. La somme résultante de ces interférences doit alors être optimisée pour atténuer la non-uniformité observée classiquement. L’objectif de cette thèse est donc de synthétiser ce type d’impulsions, en utilisant la pTX. Ces impulsions auront pour contrainte supplémentaire le respect des limitations internationales concernant l'exposition à des champs radiofréquence, qui induit une hausse de température dans les tissus. En ce sens, de nombreuses simulations électromagnétiques et de températures ont été réalisées en introduction de cette thèse, afin d’évaluer la relation entre les seuils recommandés d’exposition RF et l’élévation de température prédite dans les tissus. Cette thèse porte plus spécifiquement sur la conception de l’ensemble des impulsions RF refocalisantes utilisées dans des séquences IRM non-sélectives, basées sur l’écho de spin. Dans un premier temps, seule une impulsion RF a été générée, pour une application simple : l’inversion du déphasage des spins dans le plan transverse. Dans un deuxième temps, sont considérées les séquences à long train d’échos de refocalisation appliquées à l’in vivo. Ici, l’opérateur mathématique agissant sur la magnétisation, et non pas son état final comme il est fait classiquement, est optimisé. Le gain en imagerie à très haut champ est clairement visible puisque les opérations mathématiques (la rotation des spins) voulues sont réalisées avec plus de fidélité que dans le cadre des méthodes de l’état de l’art. Pour cela, la génération de ces impulsions RF combine une méthode d’excitation des spins avec navigation dans l’espace de Fourier, les kT-points, et un algorithme d’optimisation, appelé Gradient Ascent Pulse Engineering (GRAPE), utilisant le contrôle optimal. Cette conception est rapide grâce à des calculs analytiques plus directs que des méthodes de différences finies. La prise en compte d’un grand nombre de paramètres nécessite l’usage de GPUs (Graphics Processing Units) pour atteindre des temps de calcul compatibles avec un examen clinique. Cette méthode de conception d’impulsions RF a été validée expérimentalement sur l’imageur 7 Tesla de NeuroSpin, sur une cohorte de volontaires sains. / In Magnetic Resonance Imaging (MRI), the increase of the static magnetic field strength is used to provide in theory a higher signal-to-noise ratio, thereby improving the overall image quality. The purpose of ultra-high-field MRI is to achieve a spatial image resolution sufficiently high to be able to distinguish structures so fine that they are currently impossible to view in a non-invasive manner. However, at such static magnetic fields strengths, the wavelength of the electromagnetic waves sent to flip the water proton spins is of the same order of magnitude than the scanned object. Interference wave phenomena are then observed, which are caused by the radiofrequency (RF) field inhomogeneity within the object. These generate signal and/or contrast artifacts in MR images, making their exploitation difficult, if not impossible, in certain areas of the body. It is therefore crucial to provide solutions to mitigate the non-uniformity of the spins excitation. Failing this, these imaging systems with very high fields will not reach their full potential.For relevant high field clinical diagnosis, it is therefore necessary to create RF pulses homogenizing the excitation of all spins (here of the human brain), and optimized for each individual to be imaged. For this, an 8-channel parallel transmission system (pTX) was installed in our 7 Tesla scanner. While most clinical MRI systems only use a single transmission channel, the pTX extension allows to simultaneously playing various forms of RF pulses on all channels. The resulting sum of the interference must be optimized in order to reduce the non-uniformity typically seen.The objective of this thesis is to synthesize this type of tailored RF pulses, using parallel transmission. These pulses will have as an additional constraint the compliance with the international exposure limits for radiofrequency exposure, which induces a temperature rise in the tissue. In this sense, many electromagnetic and temperature simulations were carried out as an introduction of this thesis, in order to assess the relationship between the recommended RF exposure limits and the temperature rise actually predicted in tissues.This thesis focuses specifically on the design of all RF refocusing pulses used in non-selective MRI sequences based on the spin-echo. Initially, only one RF pulse was generated for a simple application: the reversal of spin dephasing in the transverse plane, as part of a classic spin echo sequence. In a second time, sequences with very long refocusing echo train applied to in vivo imaging are considered. In all cases, the mathematical operator acting on the magnetization, and not its final state as is done conventionally, is optimized. The gain in high field imaging is clearly visible, as the necessary mathematical operations (that is to say, the rotation of the spins) are performed with a much greater fidelity than with the methods of the state of the art. For this, the generation of RF pulses is combining a k-space-based spin excitation method, the kT-points, and an optimization algorithm, called Gradient Ascent Pulse Engineering (GRAPE), using optimal control.This design is relatively fast thanks to analytical calculations rather than finite difference methods. The inclusion of a large number of parameters requires the use of GPUs (Graphics Processing Units) to achieve computation times compatible with clinical examinations. This method of designing RF pulses has been experimentally validated successfully on the NeuroSpin 7 Tesla scanner, with a cohort of healthy volunteers. An imaging protocol was developed to assess the image quality improvement using these RF pulses compared to typically used non-optimized RF pulses. All methodological developments made during this thesis have contributed to improve the performance of ultra-high-field MRI in NeuroSpin, while increasing the number of MRI sequences compatible with parallel transmission.