Selon l'American Lung Association, dans les dernières années, les maladies pulmonaires sont devenues la troisième cause mondiale de décès après les maladies cardiovasculaires et le cancer. Et il est prévu que la position augmente dans ce classement au cours des dix prochaines années. Les maladies pulmonaires telles que la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) et la fibrose interstitielle affectent des millions de personnes dans le monde, tuant des milliers d'entre eux chaque année tandis que de nouveaux cas sont signalés. Aujourd'hui, il n'y a pas de diagnostic précoce des maladies pulmonaires. Celles-ci se manifestent essentiellement par une modification des propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire qui ne peut être détectée par les techniques usuelles appliquées généralement sur les autres organes. La tomodensitométrie par rayons X et la biopsie pulmonaire chirurgicale peuvent indiquer la maladie. Cependant, il n'est pas encore possible de prédire la progression de cette dernière ni de déterminer la durée optimale de la thérapie, ni encore d'explorer l'administration d'autres agents potentiellement moins toxiques que ceux utilisés de nos jours. Les causes et les mécanismes de la maladie ainsi que les facteurs génétiques associés ne sont pas encore déterminés. Les enjeux sociétal et médical sont énormes. Les propriétés viscoélastiques des tissus pulmonaires jouent un rôle clé dans la fonction-même de l'organe. Elles pourraient être des biomarqueurs pulmonaires très sensibles puisqu'elles dépendent de la structure des tissus, des conditions biologiques, et qu'elles sont considérablement altérées par la plupart des maladies pulmonaires comme le cancer, l'emphysème, l'asthme ou la fibrose interstitielle. Toutefois, l’auscultation et l’exploration tactile couramment utilisées ne peuvent pas localement les sonder in vivo. Dans ce travail de thèse, une nouvelle modalité a été développée pour cartographier les propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire afin de détecter, quantifier et classer les maladies qui les modifient. Cette nouvelle méthode d'imagerie, l’élastographie par résonance magnétique de l'hélium-3 hyperpolarisé, bénéficie de l'innocuité et de la sensibilité de la technique ainsi que de l'importance du signal d'hélium-3 hyperpolarisé dans les poumons.Tout d'abord, la technique a été validée sur des fantômes de poumons préservés de cochon. D'une part, les hypothèses de confinement du gaz et de l'indépendance à la composition du gaz qui sous-tendent l'élastographie IRM quantitative de l'hélium-3 ont été confirmées. D'autre part, la sensibilité de la technique a été éprouvée par rapport à l'inflation des poumons et à leur dépendance à la gravité. Puis, un mode d'excitation original a été développé et les protocoles d'acquisition IRM ont été optimisés pour réaliser l'élastographie IRM de l'hélium-3 in vivo. Les premières mesures de propagation d'ondes de cisaillement ont été obtenues à la fois dans des poumons de rat et d'humain. Les modules d'élasticité de cisaillement obtenus s'accordent assez bien avec les valeurs de rigidité obtenues ex vivo par les techniques alternatives. Ce travail ouvre une voie unique d'exploration in vivo de la physiopathologie pulmonaire. / According to the American Lung Association, for the last few years, lung diseases have become the third most common cause of death worldwide after cardiovascular disease and tumors, and it is expected to rise up the ranking position in the next ten years. Lung diseases such as Chronic Obstructive Pulmonary Disease and interstitial fibrosis affect millions of people worldwide, killing thousands of them every year while new cases are reported. Today, there is no early diagnosis of these pulmonary diseases. They effectively manifest by a modification of the viscoelastic properties of the lung parenchyma which cannot be detected by usual techniques that are applied to other organs. X-ray computer tomography and surgical lung biopsy can state the disease. However, it is not yet possible to predict its progression, to determine the optimal length of the therapy, or to explore the administration of other agents potentially less toxic than those used nowadays. Causes and mechanisms of the disease, associated genetic factors are not determined yet. The social and medical issues are huge. The viscoelastic properties of lung tissue play a key role in the basic function of the organ. They could be very sensitive pulmonary biomarkers as they depend on the tissue structure, the biological conditions, and they are dramatically altered by most lung diseases like cancer, emphysema, asthma, or interstitial fibrosis. However, current auscultation and tactual explorations fail to regionally probe them in vivo.In this PhD work, a new modality was developed to regionally measure the viscoelastic properties of the lung parenchyma in order to detect, quantify, and classify diseases that modify them. This new imaging approach, hyperpolarized helium-3 Magnetic Resonance Elastography (MRE), benefit from the innocuity and the sensitivity of the technique as well as from the huge hyperpolarized helium-3 signal in the lung. First, the technique was validated on preserved pig lung phantoms. On the one hand, the assumptions of gas confinement and gas content independence that support quantitative helium-3 MRE were assessed. On the other hand, the sensitivity of the technique was challenged with respect to lung inflation and gravity dependence. Second, original means of mechanical excitation were developed and MR acquisition protocols were optimized to perform helium-3 MRE in vivo. First measurements of shear wave propagation were achieved in both rat and human lungs. Resulting shear elasticity agrees fairly well with stiffness values found ex vivo by alternative measurement techniques. This work opens up promising insights into lung pathophysiology in vivo.

Le Syndrome d’Apnée Obstructive du Sommeil affecte 4 à 6 % de la population en France soit près de 3 millions de personnes. Toutefois, les techniques de diagnostic usuelles ne permettent pas de déterminer de façon précise les sites d’occlusion ni de décrire les interactions fluide-paroi qui jouent un rôle important dans les processus de fermeture des voies aériennes supérieures. Au cours de ce travail, un ensemble d’outil a été mis en œuvre pour explorer les mécanismes sous-jacents conduisant à une apnée obstructive. La détermination géométrique et la caractérisation mécanique des voies aériennes supérieures, d’une part, la mesure des écoulements dans ces dernières, d’autre part, ont été réalisées par imagerie par résonance magnétique de l’hydrogène, pour les tissus, de l’hélium-3 et du fluor-19 pour les gaz. Les données obtenues ont été exploitées tout d’abord dans un modèle numérique statique pour estimer les lois d’état locales et caractériser la compliance des voies aériennes supérieures, puis, dans un modèle monodimensionnel, prenant en compte l’interaction fluide-structure et la limitation de débit au cours de l’inspiration, pour localiser les sites potentiellement responsables d’un éventuel collapsus. Par ailleurs, les écoulements de gaz d’hélium-3 et d’hexafluorure de soufre ont été simulés afin de déterminer le potentiel de ces deux modalités d’imagerie de gaz pour l’étude des obstructions des voies aériennes. La faisabilité d’une imagerie statique et dynamique par résonance magnétique du fluor a été démontrée. Avec une densité du gaz traceur bien plus importante, cette dernière technique présente une plus grande sensibilité à l’obstruction. Cette thèse ouvre ainsi une nouvelle voie de diagnostic et de guide thérapeutique personnalisé pour ce syndrome. / Obstructive Sleep Apnea (OSA) is a common disorder occurring in almost 3 million French people. However, current diagnosis methods are not sufficient to precisely define obstructing sites and doesn't take into account the fluid structure coupling which plays an important role during upper airway closing. During this thesis, we developed a series of tools exploring upper airway closing process. On the one hand, a screening tool of the structure and the mechanical properties of the upper airway, and on the other hand, a screening tool exploring with dynamic images of inert gases flow into the upper airway, were obtained using conventional hydrogen MRI coupled to magnetic resonance elastography (MRE) and helium-3 or fluor-19 gases MRI, respectively. Geometric and biomechanical data obtained using MRI/MRE are injected into a numerical model given the compliance and the state law of upper airway. Contributions of anatomical restriction on airway collapse are also investigated using a multi-compartmental two-dimensional fluid structure interaction model during a breath inspiration to predicted airway mechanical changes and collapse pressures. Furthermore, helium 3 and sulfur hexafluoride flow was modeled at steady state using commercial finite volume software to evaluate potential feasibility to image upper airway collapsibility during OSA. First dynamic MR imaging using sulfur hexafluoride (SF6) was obtained showing the feasibility of this technique. Using SF6, 6 times denser than air, shows a higher sensibility to upper airway obstruction. This thesis opens a new imaging modality to probe and to diagnose upper airway obstruction.

Le phénomène de précession cohérente de l'aimantation dans l'hélium 3 superfluide a été découvert en 1984. Il se caractérise par la précession libre de l'aimantation du superfluide sur des échelles de temps très longues (dans certains cas, des heures). Ce phénomène est une signature de la superfluidité de spin, l'analogue magnétique de la supraconductivité ou de la superfluidité. La superfluidité de spin peut se décrire en termes de condensation de Bose-Einstein des excitations magnétiques du superfluide : les magnons. Ce formalisme permet de déterminer simplement les conditions dans lesquelles une telle condensation peut apparaître dans les différentes phases de l'hélium 3 superfluide. Ce travail présente comment l'utilisation d'aérogel anisotrope nous a permis de manipuler le paramètre d'ordre du superfluide et d'obtenir ainsi de nouvelles phases dans lesquelles la condensation de Bose-Einstein des magnons peut être observée. Nous avons ainsi étudié expérimentalement la précession cohérente de l'aimantation dans ces nouvelles phases. Nous avons également étudié l'influence de l'aérogel sur la transition de phase superfluide. Enfin, nous détaillons comment il est possible d'obtenir la précession cohérente de l'aimantation sur les différents niveaux d'un puits de potentiel pour les magnons. / The phenomenon of coherent precession of magnetization in superfluid helium 3 was discovered in 1984. It is characterized by the free precession of the magnetization of the superfluid on very long timescales (up to hours). This phenomenon is a signature of spin superfluidity, the magnetic analogue of superconductivity or superfluidity. Spin superfluidity can be described in terms of Bose-Einstein condensation the magnetic excitations of the superfluid: the magnons. This formalism makes it possible to determine easily the conditions in which such a condensation can appear in the different phases of superfluid helium 3. This work shows how the use of anisotropic aerogel permitted us to manipulate the order parameter of the superfluid and thus to obtain new phases in which the Bose-Einstein condensation of magnons can be observed. We were able to study experimentally the coherent precession of magnetization in these new phases. We also studied the influence of the aerogel on the superfluid transition. Finally, we detail how one can obtain the coherent precession of magnetization on different levels of a potential well for magnons.

Le pompage optique permet de réaliser, par la méthode de Colegrove, Schearer, Walters (Physical Review, 1963, vol. 132, p. 2561), des échantillons gazeux d'hélium-trois dont les spins nucléaires sont orientés. En champ magnétique faible, un tel système est hors d'équilibre. La relaxation de l'orientation se produit principalement au voisinage des parois du récipient : pendant leur adsorption, les atomes subissent l'action des impuretés magnétiques présentes dans la paroi. L'utilisation d'enduits cryogéniques solides peu attractifs (le néon, l'hydrogène moléculaire) réduit notablement cet effet jusque vers deux kelvin. A plus basse température, l'allongement des temps d'adsorption les rend inefficaces : nous avons alors ajouté un film d'hélium-quatre liquide aux échantillons pour exclure l'hélium-trois du voisinage immédiat des parois. Avec un tel revêtement de la cellule, nous avons pu réaliser le pompage optique d'un gaz d'hélium-trois vers un demi kelvin et obtenir un taux d'orientation nucléaire de quelques pour cent ; le temps de relaxation de l'orientation longitudinale est alors de vingt minutes. Les variations du temps de relaxation avec l'épaisseur du film, la composition de l'enduit, la densité gazeuse et la température ont fait l'objet d'études expérimentales détaillées. La condensation progressive de l'hélium-quatre lorsqu'on abaisse la température, l'adsorption de l'hélium-trois sur ce film, sa dissolution à l'intérieur et notamment dans les premières couches ont été discutées. Les estimations effectuées ont permis de proposer quelques modèles explicatifs des processus de relaxation qui interviennent. En outre, par des techniques de Résonance Magnétique Nucléaire permettant l'observation de la précession libre des spins dans un champ magnétique inhomogène, nous avons effectué sur le gaz lui-même les premières déterminations expérimentales des coefficients de diffusion de spin dans l'hélium entre un et un demi kelvin.

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Les résultats des expériences en astrophysique et de cosmologie observationnelle semblent indiquer que l'essentiel de la matière dans l'Univers est sous forme sombre, froide et non-baryonique. Les extensions supersymétriques du Modèle Standard de la physique des particules proposent un candidat privilégié, le neutralino le plus léger, qui est activement recherché auprès des accélérateurs mais aussi auprès d'expériences dédiées. Cette thèse est consacrée à la détection directe de matière sombre non-baryonique avec l'hélium 3<br />dans le cadre du détecteur prototype MACHe3 et du projet de détecteur MIMAC-He3. Dans le cadre de MACHe3 utilisant l'hélium 3 superfluide à ultra-basses températures, une méthode d'analyse des données a été développée pour mettre en évidence les spectres en énergie des neutrons, muons cosmiques et d'électrons de basse énergie. Après avoir montré la possibilité de détecter des événements dans la plage du keV avec l'hélium 3, cette thèse propose le développement d'un nouveau détecteur, MIMAC-He3. Il consiste en une matrice de micro-TPC remplies d'3He gazeux permettant la discrimination entre les reculs nucléaires et électroniques. Une simulation Monte Carlo a été réalisée pour évaluer le pouvoir de discrimination de MIMAC-He3 concernant les bruits de fond physiques. Les taux de bruits de fond simulés sont comparés au taux de neutralino calculé dans le cadre de modèles supersymétriques effectifs pour mettre évidence l'intérêt d'un détecteur à 3He pour la détection de neutralinos par interaction axiale et sa complémentarité avec les détections indirecte et directe scalaire.

Nous présentons une étude expérimentale et théorique du pompage optique de l'hélium-3 par échange de métastabilité dans un champ magnétique de 1.5 Tesla entre 1 et 67 mbar. Une étude systématique nous permet de déterminer les conditions expérimentales favorables au pompage optique. A 1.5 Tesla, des polarisations nucléaires élevées et des taux de pompage importants sont obtenus à forte pression, ce qui étend le domaine d'applicabilité du pompage optique par échange de métastabilité. Une modélisation réaliste nous permet de comprendre les effets des divers processus entrant en jeu dans la physique du pompage. Nous montrons qu'en dépit du découplage hyperfin, le pompage optique à 1.5 Tesla conserve les propriétés intrinsèques de haut rendement quantique du pompage optique par échange de métastabilité habituel. L'étude comparée des valeurs expérimentales et théoriques de la polarisation nucléaire met en évidence un processus de relaxation de la polarisation dont le taux augmente avec la densité d'atomes dans le niveau excité<br />2 3P et avec la pression.

Dans ce travail nous avons étudié le problème du rapport signal à bruit (RSB) en IRM à très bas champ magnétique et exploré des applications potentielles en utilisant du gaz 3He hyperpolarisé. Nous avons comparé deux méthodes d'élargissement de bande passante sans perte de RSB : une contre-réaction et un couplage inductif de la détection. Nous avons mis en œuvre la contre-réaction, plus appropriée à très bas champ. Des mesures d'atténuation par diffusion dans un gaz d'3He en géométrie cylindrique ont été faites par échos multiples de spin ou de gradient dans une large gamme de conditions correspondant à la diffusion dans les voies aériennes des poumons. Un bas champ permet d'utiliser des faibles gradients sur des durées longues, sans influence de la susceptibilité des matériaux. Nos mesures fournissent un ensemble de données destiné à une comparaison directe avec des modèles théoriques et d'autres résultats publiés. Une nouvelle séquence (Slow Low Angle Shot, SLASH) est proposée pour l'imagerie de gaz à bas champ. Des séries d'images à 2D dans des fantômes montrent qu'elle offre une résolution d'image et un RSB meilleurs que pour une séquence FLASH. Par ailleurs, des cartes de diffusion apparente dans des poumons fixés de petit animal ont été obtenues à partir d'images 2D et 3D. Les résultats sont compatibles avec ceux des mesures globales de diffusion par échos de spin dans ces mêmes poumons, et sont similaires aux résultats in vivo publiés. Ces poumons fixés sont donc un fantôme commode et pertinent pour des études méthodologiques. Les mesures de diffusion en bas champ, insensibles aux effets de susceptibilité, ont été faites sur une large gamme de temps de diffusion.

Les progrès en pompage optique (PO) par échange de métastabilité (EM) dans de l'hélium-3 gazeux à forte puissance laser, dont les applications sont variées, mais aussi à forte pression p3 et fort champ magnétique B ont fortement motivé la reprise d'investigations pour comprendre les processus limitant cette technique puissante. Nous présentons une étude systématique, expérimentale et théorique, de l'efficacité du POEM et des mécanismes de relaxation à B≤30 mT et p3=0.63−2.45 mbar. La polarisation nucléaire M de l'hélium-3 est mesurée par absorption en configuration longitudinale, en utilisant des faisceaux à 1083 nm de faible puissance, parallèles à B et à l'axe de la cellule, et de polarisations circulaires opposées pour sonder la distribution des populations dans l'état métastable. Nos tests détaillés montrent que cette méthode est fiable pour l'étude de la dynamique du POEM malgré la redistribution des populations par la lumière de pompage. La perte de M associée à l'émission de lumière polarisée par la décharge qui crée le plasma nécessaire au POEM décroît au-dessus de 10 mT, comme attendu, à cause du découplage hyperfin dans les états très excités. Pourtant cela n'améliore pas l'efficacité du POEM à forte puissance laser. Par contre, nous avons mis en évidence une relaxation supplémentaire liée à la présence du laser pompe. Les pertes importantes de M renforcées par PO, qui limitent actuellement les performances du POEM, sont étudiées quantitativement avec une approche basée sur un bilan de moment angulaire et un modèle détaillé, récemment développé, qui décrit les effets combinés du PO, de l'EM et de la relaxation, validé par comparaison aux résultats expérimentaux.

Cette thèse décrit la mesure précise de la fonction de structure polarisée g1n du neutron menée par la collaboration E154 à l'automne 1995 auprès de l'accélérateur linéaire de Stanford aux Etats-Unis, par diffusion profondément inélastique inclusive d'un faisceau d'électrons polarisé de 48.3 GeV sur une cible d'Hélium 3 polarisée. Les électrons diffusés ont été détectés par deux spectromètres permettant de couvrir le domaine cinématique en x Bjorken : 0.014 < x < 0.7 et en quadritransfert carré : 1 GeV2 < Q2 < 17 GeV2 à une valeur moyenne Q2 = 5 GeV2. Deux calorimètres électromagnétiques pris en charge par le LPC de Clermont-Ferrand et le SphN du CEA-Saclay ont été utilisés pour déterminer l'énergie des électrons diffusés et pour rejeter le bruit de fond hadronique. Pour cela, nous avons développé un automate cellulaire et un réseau de neurones, largement décrits dans ce manuscrit. L'analyse de la mesure de la fonction de structure g1n menée à Clermont-Fd et exposée dans ce manuscrit nous a conduit à l'intégrale sur la région mesurée : intégrale (g1n(x)dx, xmin=0.0135, xmax=0.7) = -0.03 +- 0.003 STAT +- 0.004 SYST +- 0.001 EVOL à Q2 = 5 GeV2 où nous avons fait évoluer nos mesures vers Q2 = 5 GeV2 à l'aide des équations d'évolution DGLAP à l'ordre sous-dominant en utilisant une paramétrisation mondiale des distributions de partons polarisées. La règle de somme d'Ellis et Jaffe sur le neutron est clairement violée par nos mesures. Pour les différents extrapolations envisagées à bas x, notre intégrale est compatible avec la règle de somme de Bjorken. Nous avons estimé la contribution du spin des quarks au spin du nucléon à DelatSigma = 29 ± 6 % dans le schéma MS barre et à DeltaSigma = 37 ± 7 % dans le schéma AB, à Q2 = 5 GeV2. La contribution du spin des gluons au spin du nucléon semble positive et comprise entre 0 et 2 à cette échelle.