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The thesis describes the results of research work on techniques for high speed data transmission (2.4 kbit/s) over voice-band HF radio channels. This work has been carried out using extensive computer simulation of the various transmission techniques and the HF radio channels. Firstly, the characteristics of HF radio channels are discussed in detail and an HF channel model, suitable for computer simulation, is developed. The first of two techniques for high data rate transmission over HF links is then introduced, namely, multi-channel (or parallel) DPSK transmission. Parallel transmission is a well known technique in this application but it has been studied and simulated, in order to compare its performance with that of the second, more novel, transmission technique. This is a single channel system employing 4 point QAM signalling at the transmitter and maximum likelihood detection at the receiver. Initially, the parallel system is compared with an idealised serial system employing optimum Viterbi detection at the receiver with all other functions of the serial function assumed perfect. However, having shown the vastly superior performance of this serial system, a more practical serial modem is gradually developed, with further performance comparisons at each stage in this development. The final comparison is made with a very practical form of serial modem in which all practical receiver functions are simulated. Theseinclude a simpler, adaptive near maximum likelihood detector, receiver filtering, channel estimator, carrier phase tracking, timing synchronisation and automatic gain control. Finally, the design and implementation of the serial modem is studied and details of the complexity of a digital, processor-based, realisation are given.

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L’IRM à ultra haut champ (UHC) donne accès à une résolution spatiale submillimétrique rendant possible la visualisation de structures plus fines qu’en IRM classique. Depuis quelques années, son potentiel s’est développé dans des laboratoires tels que NeuroSpin, au sein du CEA, qui a l’ambition d’étudier l’anatomie et le fonctionnement du cerveau à une échelle mésoscopique. Toutefois, pour des champs magnétiques supérieurs à 3T, le champ radiofréquence (RF) permettant d’exciter les protons de l’eau a une longueur d’onde inférieure à la dimension de la tête humaine, provoquant des phénomènes d’interférences destructives dans le cerveau. Ceux-ci s’accentuent avec l’augmentation du champ statique, engendrant sur les images des inhomogénéités de signal ou de contraste, qui empêchent d’exploiter tout le potentiel de l’imagerie UHC. Pour améliorer la pertinence des diagnostics cliniques, à défaut de pouvoir homogénéiser le champ RF dans tout le cerveau, il est essentiel de réussir à uniformiser l’excitation des spins. Dans ce but, un système de transmission parallèle (pTx) à 8 canaux a été intégré à l’imageur 7T du laboratoire. Il permet d’émettre sur chaque canal des formes d’impulsions RF différentes, à optimiser pour faire interférer le champ RF produit dans le cerveau de manière plus contrôlée que dans le mode classique à un seul canal d’émission. Ces travaux de thèse consistent à mettre au point des impulsions RF utilisant la pTx pour sélectionner des tranches d’excitation uniforme, et à les appliquer à l’angiographie du cerveau humain à 7T. A UHC, la méthode la plus courante pour homogénéiser l’angle de bascule de l’aimantation dans une coupe consiste à générer consécutivement plusieurs impulsions sélectives optimisées, appelées « spokes », à différentes positions du plan transverse à la coupe dans l’espace de Fourier de transmission. Si elle convient pour uniformiser l’excitation dans le plan de coupe, cette méthode est moins performante pour la sélection de larges tranches car les inhomogénéités de champ RF ne sont alors pas prises en compte dans l’épaisseur de tranche. Ainsi, dans un premier temps, deux méthodes originales de conception d’impulsions RF sélectives sont introduites et explorées pour uniformiser l’excitation de larges tranches : celle des « kT-spokes » qui optimise le placement des spokes dans les 3 dimensions de l’espace de Fourier de transmission, et celle des « spokes 3D » qui génère des impulsions RF optimisées point par point dans le temps. Ces techniques ont été validées avec succès sur des fantômes à 7T et ont permis de surpasser l’état de l’art en termes d’homogénéisation de l’angle de bascule pour la sélection de larges tranches. Dans un deuxième temps, ces méthodes ont été appliquées à la séquence d’angiographie 3D en temps de vol afin d’améliorer la visualisation du réseau artériel dans le cerveau humain à 7T. Cependant, lorsque les tranches sélectionnées sont larges, cette séquence est aussi sensible aux effets de saturation du sang qui empêchent d’apprécier la totalité du réseau artériel avec les profils de tranche d’angles de bascule plats habituels. Pour corriger ce phénomène, les impulsions RF à rampes sont proposées dans l’état de l’art, générant des profils d’angle de bascule qui augmentent avec l’épaisseur de la tranche. Les méthodes de conception d’impulsions RF développées ici ont ainsi été adaptées pour générer ce type de profils et permettre de compenser la saturation du sang avec succès dans les acquisitions à 7T. Ces travaux de thèse ont permis d’ouvrir la voie à une nouvelle application à NeuroSpin puisque l’angiographie n’y avait pas encore été explorée malgré le fort potentiel des UHC pour cette modalité. En outre, les méthodes développées au cours de ces travaux permettent l’excitation simultanée de tranches homogènes, constituant ainsi une perspective prometteuse pour accélérer les acquisitions et repousser les limites de résolution spatiale de l’angiographie en temps de vol à 7T. / Ultra-high field (UHF) MRI allows submillimetric spatial resolution in order to depict finer structures compared to conventional MRI. In recent years, the UHF potential has been explored in laboratories such as NeuroSpin, at Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA), to study brain anatomy and function at a mesoscopic scale. However, for high magnetic field strengths (> 3 Tesla), the radiofrequency (RF) field required to excite the water protons has a wavelength shorter than the size of the human head, causing destructive interferences in the brain. These increase with the static field strength leading to signal or contrast inhomogeneity artefacts on brain images, hindering the UHF benefits. However, failing to homogenize the RF field produced in the brain does not preclude from homogenizing the spin excitation to improve image quality and perform better clinical diagnosis. For this purpose, NeuroSpin’s 7T scanner has been equipped with an 8-channel parallel transmission system allowing to transmit independent optimized RF shapes on each channel in order to better control RF field interferences than in conventional single transmit channel. This thesis work focuses on RF pulse design strategies using parallel transmission to select slabs uniformly and on their applications to magnetic resonance angiography (MRA) of the human brain at 7T. In the UHF context, the most common method to homogenize the magnetization flip angle in a slice consists in combining several consecutive optimized selective excitations, so-called “spokes” subpulses, in different locations of the plane transverse to the slice in transmit k-space. Even though this method succeeds in homogenizing the in-plane excitation, its performance is not optimal in large slabs because through-slab RF inhomogeneities are not taken into account. In a first step, two original selective pulse design methods are introduced and explored to homogenize large slab selections: the “kT-spoke” method which optimizes the spoke placements in the three dimensions of the transmit k-space, and the “3D spokes” which consist in optimizing the RF subpulses point by point in time. These methods have been successfully validated in phantoms at 7T and surpassed the state of the art performance in terms of flip angle homogeneity in large slab selections. In a second step, these methods are applied to 3D Time-Of-Flight (TOF) MR angiography to improve the visualization of the arterial network in the human brain at 7T. As most MRI sequences, TOF is particularly sensitive to RF field heterogeneities. Moreover, for large uniform slab excitation, blood saturation effects prevent the depiction of the arterial network before slab exit. To correct for these effects, ramp RF pulses are proposed in the state-of-the-art, generating ascending flip angle profiles through the slab. The RF pulse design methods developed hereby were adapted to generate these profiles, successfully compensating blood saturation in 7T acquisitions. This work paves the way to a new clinical application at NeuroSpin, where MR angiography had not been explored yet, despite the high benefit of UHF for this modality. In addition, the methods developed hereby were also adapted for simultaneous multi-slice excitations. This allows promising perspectives to accelerate acquisitions and push further away the limits of TOF angiography in terms of spatial resolution.

Electric power systems have been in existence for over a century. Electric power transmission line systems play an important role in carrying electrical power to customers everywhere. The number of transmission lines in power systems is increasing as global demand for power has increased. Parallel transmission lines are widely used in the modern transmission system for higher reliability. The parallel lines method has economic and environmental advantages over single circuit. A fault that occurs on a power transmission line will cause long outage time if the fault location is not located as quickly as possible. The faster the fault location is found, the sooner the system can be restored and outage time can be reduced. The main focus of this research is to develop a new accurate fault location algorithm for parallel transmission lines to identify the fault location for long double-circuit transmission lines, taking into consideration mutual coupling impedance, mutual coupling admittance, and shunt capacitance of the line. In this research, the equivalent PI circuit based on a distributed parameter line model for positive, negative, and zero sequence networks have been constructed for system analysis during the fault. The new method uses only the voltage and current from one end of parallel lines to calculate the fault distance. This research approaches the problem by derivation all equations from positive sequence, negative sequence, and zero sequence network by using KVL and KCL. Then, the fault location is obtained by solving these equations. EMTP has been utilized to generate fault cases under various fault conditions with different fault locations, fault types and fault resistances. Then the algorithm is evaluated using the simulated data. The results have shown that the developed algorithm can achieve highly accurate estimates and is promising for practical applications.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) à haut champ offre un bénéfice certain en rapport signal-sur-bruit. De ce fait, les imageurs à 3T sont souvent utilisés en pratique clinique.Cependant, à haut champ, les images d'IRM sont entachées de pertes de signal et de contraste liées à la baisse de la longueur d’onde radiofréquence (RF) en deçà des dimensions de l'objet irradié. A 3T, où la longueur d'onde est de 30 cm environ dans les tissus humains, de tels artéfacts sont fréquents en imagerie abdominale, des seins ou encore des cuisses, ce qui peut expliquer la difficulté que rencontre l'IRM à haut champ à s'imposer comme référence dans les hôpitaux. Les imageurs 3T les plus récents disposent en général d'un système de transmission parallèle à deux canaux RF. Chaque canal peut en principe émettre des formes d'impulsion RF indépendantes. En pratique, sur la plupart des systèmes IRM cliniques, la méthode dite de shim RF statique est utilisée. Les différents canaux transmettent la même forme d’onde,en ajustant amplitude et phase de sorte à entraîner des motifs d’interférences pour contrer les inhomogénéités, mesurées au préalable sur le patient: cartes de champ RF et éventuellement de champ statique. Cette méthode fonctionne d’autant mieux qu’un grand nombre de canaux est disponible, mais montre ses limites lorsqu’il s’agit d’homogénéiser l’excitation sur un grand champ de vue. La méthode des points kT, développée à NeuroSpin pour l’IRM cérébrale à ultra-haut champ (7T) utilise une alternance d’impulsions RF rectangulaires et de gradients de champ statique pour moduler à dessein l’aimantation des spins et ainsi homogénéiser l’excitation malgré un champ RF inhomogène. Les impulsions ainsi créées sont d’autant plus efficaces qu’elles peuvent exploiter la transmission parallèle (huit canaux à 7T). Dans cette thèse, les points kT sont employés à 3T avec pour objectif d’en démontrer l’intérêt et l’applicabilité en routine clinique. Dans un premier temps, nous décrivons des modifications apportées à l’algorithme de conception de points kT et à la cartographie de champ statique permettant d’adapter la technique à l’imagerie du corps – foie, seins – où la présence des poumons et de la graisse entraîne des contraintes supplémentaires par rapport au cerveau.Dans un second temps, plusieurs études cliniques sont exposées. La première concerne l’IRM du sein en pondération T₂ sur un imageur à canal d’émission unique. Elle met en évidence que le mode d’émission par défaut fonctionne correctement et n’est que peu amélioré par les points kT. Une deuxième étude se penche sur l’imagerie dynamique du foie avec injection de produit de contraste, avec deux canaux. Des analyses quantitatives et qualitatives sont menées sur un grand nombre de patients pour comparer le shim RF statique avec les points kT. Ces derniers améliorent très nettement les images obtenues chez certains patients« difficiles », permettant ainsi d’offrir une qualité d’examen et de diagnostic plus homogène sur l’ensemble de la population. Enfin,une nouvelle technique est présentée, intitulée SmartPulse, qui s’appuie sur le concept d’impulsions universelles, développé à NeuroSpin pour l’imagerie du cerveau, et dont le principe est de concevoir des impulsions de type points kT qui, pour une application donnée, soient efficaces sur toute la population et permettent de se passer de calibration. En divisant la population en catégories pour lesquelles des impulsions différentes sont conçues,et en utilisant un algorithme de classification par apprentissage automatique, SmartPulse étend la portée des impulsions universelles au corps, et en particulier à l’abdomen, où la variabilité morphologique est importante. Par ces travaux de thèse, nous espérons donner un nouveau souffle à la gestion des inhomogénéités RF en routine clinique à 3T, et apporter des éléments permettant à terme de démocratiser l’imagerie des gros organes à ultra-haut champ. / High field magnetic resonance imaging (MRI) is often used in clinical practice, for the high signal-to-noise ratio it offers.However, at high field, the radiofrequency (RF) wavelength used for imaging is shorter, which can induce loss of signal and contrast when it is close to or shorter than the dimensions of the irradiated objects. At 3T, RF wavelength is about 30 cm in human tissues,and such artefacts are frequently observed in the abdomen, as well as in the thighs or in the breasts. This is certainly one of the main reasons why high field MRI has failed to establish itself as the gold standard in hospital, where 1.5T scanners are more frequent.Recent 3T scanners usually come with a two-RF-channel parallel transmission setup: in principle, each channel can transmit completely independent waveforms. However, this technology is not exploited fully in practice, as only the static RF shimming is implemented: a single waveform is used, with adjusted amplitude and phase on each channel. This allows to create interference patterns, calculated to counteract transmission inhomogeneities measured beforehand in the patient (RF and possibly static field).This method works best when many channels are available, but shows its limits when good homogeneity is expected over a large field of view. The kT-points method, developed at CEA-NeuroSpin for brain imaging at ultra-high field (7T) relies on a succession of short rectangular RF pulses interleaved with static gradient “blips” to modulate magnetisation at will, thus producing homogeneous excitation in spite of an imperfect RF field. Those composite pulses are even more effective as they can take advantage of parallel transmission (eight channels at 7T). In this thesis, the kT-points technique is applied at 3T. The objective is to demonstrate its usefulness and its compatibility with a clinical routine workflow. First, several changes made to the kT-points pulse design algorithm and to static field mapping in order to adapt them to body imaging (liver, breasts) are described. Indeed, the presence of lungs and fat add further constraints compared to the brain. Then, several clinical studies are detailed. The first one regards T₂-weighted breast MRI on a single-channel scanner. It shows that in that case the default transmit mode is satisfactory,and only slightly improved by kT-points. A second study focuses on T₁-weighted dynamic contrast-enhanced imaging of the liver,with two transmit channels. Static RF shimming and kT-points were compared on a large cohort. For some “difficult” patients,acquisitions were quantitatively and qualitatively better with kTpoints,which therefore offer a more uniform diagnostic quality among the population. Finally, a novel method is proposed:SmartPulse. It is based on the universal pulse concept, developed in NeuroSpin for brain imaging, whose principle is to design pulses (e.g. kT-points) for a given application, that homogenise excitation in the whole population, and not only for one subject.Thus, there is no more need for cumbersome mapping and inline pulse design. SmartPulse extends the range of universal pulses to body imaging, by adequately clustering the population, designing different pulses for each cluster, and applying a machine learning classifier to assign the most appropriate pulse to any new subject.Proof of concept was undertaken in abdominal imaging, whereinter-subject variability is considerable. We hope this thesis will give a new outlook on RF inhomogeneity handling in routine 3T MRI, and in the long run will help making body imaging moreaccessible at high and ultra-high field.

Le projet Iseult-Inumac mené au sein d’un consortium franco-allemand vise à développer les techniques associées à l’imagerie par résonance magnétique à ultra haut champ, notamment à travers la construction d’un imageur à 11,7 teslas. La résolution accrue du nouvel imageur devrait apporter une meilleure compréhension du système nerveux et de ses dysfonctionnements pour aboutir à un dépistage plus précoce des pathologies telles que la maladie d’Alzheimer, les accidents vasculaires cérébraux ou les tumeurs.La principale difficulté technique du projet, en dehors de la construction de l’aimant statique, réside dans la capacité d’émettre une onde électromagnétique d’amplitude uniforme dans tout le cerveau du patient : problème de l’inhomogénéité de B1 (ou radiofréquence). Une solution proposée consiste à utiliser une antenne réseau à transmission parallèle et des séquences d’excitation IRM spécifiques dites de compensation.Cette thèse se concentre sur la conception des antennes réseaux à transmission parallèle pour l’IRM à 7 et 11,7 T. Un prototype à 8 canaux indépendants utilisant une technologie innovante de résonateurs linéaires est présentée pour l’IRM 7 T. Il a été conçu par la simulation numérique. Un protocole de validation a été développé pour la caractérisation et l’analyse des performances des antennes réseaux. Le succès de cette validation a permis de développer par la simulation une nouvelle antenne à 12 canaux et une stratégie de pilotage innovante permettant de n’utiliser que 8 chaînes de pilotage au lieu de 12. Enfin, la même méthodologie a été appliquée pour concevoir et prédire les performances d’une antenne réseau à 11,7 T. / The Iseult-Inumac project led by a franco-german consortium aims at developing the ultra-high field MRI technologies, especially with the building of an 11.7 tesla scanner. The high resolution of this new scanner may improve the understanding of human nervous system and its dysfunctions in order to detect pathologies like the Alzheimer disease, strokes or tumors earlier.The biggest technical difficulty, besides the building of the static magnet itself, lies in the emission of a uniform electromagnetic wave in the entire brain of the patient. It is usually referred as to B1 (or RF) inhomogeneity issues. A solution consists in using a phased array RF coil and specific MRI sequences for shimming in a parallel transmit approach.This thesis deals with the study of parallel transmit phased arrays RF coils for 7 T and 11.7 T MRI. An eight independent channels prototype-coil that uses a new planar strip array technology is described for 7 T MRI. It was designed based on numerical simulation. A validation methodology has been developed for characterization and performance analysis of transmit phased arrays. After a successful validation of this first prototype, a more efficient 12-channel coil and a new driving strategy that only requires 8 driving channels instead of 12 were designed. Finally, the same methodology was applied to a phased array RF coil for 11.7 T MRI.

<div>Magnetic resonance imaging (MRI) has become an invaluable tool in health care. Despite its popularity, there is still an ever-increasing need for faster scans and better image quality. Multi-coil MRI, which uses multiple transmit and/or receive coils, holds the potential to address many of these MRI challenges. Multi-coil MRI systems can utilize parallel transmission (pTx) technology using multi-dimensional radio-frequency (RF) pulses for parallel excitation. The pTx platform is shown to be superior in high-field MRI. Therefore, this dissertation is focused on the RF pulse design and optimization on an MRI system with multiple transceiver coils.</div><div> </div><div>This dissertation addresses three major research topics. First, we investigate the optimization of pTx RF pulses when considering both transmitters and receivers of the MRI system. We term this framework multiple-input multiple-output (MIMO) MRI. The RF pulse design method is modeled by minimizing the excitation error while simultaneously maximizing the signal-to-noise ratio (SNR) of the reconstructed MR image. It further allows a key trade-off between the SNR and the excitation accuracy. Additionally, multiple acceleration factors, different numbers of used receive coils, maximum excitation error tolerance, and different excitation patterns are simulated and analyzed within this model. For a given excitation pattern, our method is shown to improve the SNR by 18-130% under certain acceleration schemes, as compared to conventional parallel transmission methods, while simultaneously controlling the excitation error in a desired scope.</div><div> </div><div>Second, we propose a pTx RF pulse design method that controls the peak local specific absorption rates (SARs) using a compressed set of SAR matrices. RF power, peak local SARs, excitation accuracy, and SNR are simultaneously controlled in the designed pTx RF pulses. An alternative compression method using k-means clustering algorithm is proposed for an upper-bounded estimation of peak local SARs. The performance of the pTx design method is simulated using a human head model and an eight-channel transceiver coil array. The proposed method reduces the 10-g peak local SAR by 44.6-54.2%, as compared to the unconstrained pTx approach, when it has a pre-defined lower bound of SNR and an upper bound of excitation error tolerance. The k-means clustering-based SAR compression model shows its efficiency as it generates a narrower and more accurate overestimation bound than the conventional SAR compression model.</div><div> </div><div>Finally, we propose two machine learning based pTx RF pulse design methods and test them for the ultra-fast pTx RF pulse prediction. The two methods proposed are the kernelized ridge regression (KRR) based pTx RF pulse design and the feedforward neural network (FNN) based pTx RF pulse design. These two methods learn the training pTx RF pulses from the extracted key features of their corresponding B1+ fields. These methods are compared with other supervised learning methods (nearest-neighbor methods, etc.). All learned pTx RF pulses should be reasonably SAR-efficient because training pTx RF pulses are SAR-efficient. Longer computation time and pre-scan time are the drawbacks of the current pTx approach, and we address this issue by instantaneously predicting pTx RF pulses using well-trained machine learning models.</div>

The focus of this thesis lies on the development, and implementation, of parallel transmission (pTx) techniques in magnetic resonance imaging for flip-angle homogenization throughout the human brain at ultra-high field. In order to allow in-vivo demonstrations, a conservative yet viable safety concept is introduced to control the absorbed radiofrequency (RF) power . Subsequently, novel methods for local SAR control and non-selective RF pulse-design are investigated. The impact of these short and energy-efficient waveforms, referred to as kT-points, is first demonstrated in the context of the small-tip-angle domain. Targeting a larger scope of applications, the kT-points design is then generalized to encompass large flip angle excitations and inversions. This concept is applied to one of the most commonly used T1-weighted sequences in neuroimaging. Results thus obtained at 7 Tesla are compared to images acquired with a clinical setup at 3 Tesla, validating the principles of the kT-points method and demonstrating that pTx-enabled ultra-high field systems can also be competitive in the context of T1-weighted imaging. Finally, simplifications in the global design of the pTx-implementation are studied in order to obtain a more cost-effective solution.

L'objectif de cette thèse repose sur le développement et la mise en œuvre des techniques de transmission parallèle (pTx) en Imagerie par Résonance Magnétique pour homogénéiser l’excitation des spins dans le cerveau humain à ultra-haut champ. Afin de permettre des démonstrations in-vivo, un concept de sécurité conservateur mais viable est introduit pour le contrôle de la puissance de la radiofréquence (RF) transmise. Par la suite, de nouvelles méthodes de minimisation du Taux d’Absorption Spécifique local et de conception d’impulsions RF non-sélectives sont investiguées. L’impact de ces impulsions courtes et relativement peu énergétiques, appelées « kT-points », est d'abord démontré dans l’approximation des petits angles de bascule de l’aimantation. Pour cibler un éventail d’applications plus large, la conception de type kT-points est ensuite généralisée en englobant les excitations à grand angle de bascule et les inversions. Cette méthode est appliquée à l'une des séquences pondérées en T1 les plus couramment utilisées en neuro-imagerie. Les résultats ainsi obtenus à 7 Tesla sont comparés à des images acquises avec une configuration clinique à 3 Tesla. Les principes de la méthode sont ainsi validés et démonstration est faite que la transmission parallèle permet aux systèmes à très haut champ d’être aussi compétitifs en imagerie pondérée en T1. Enfin, des simplifications dans la conception globale de la pTx sont étudiées pour un meilleur rapport coût-efficacité des solutions proposées. / The focus of this thesis lies on the development, and implementation, of parallel transmission (pTx) techniques in magnetic resonance imaging for flip-angle homogenization throughout the human brain at ultra-high field. In order to allow in-vivo demonstrations, a conservative yet viable safety concept is introduced to control the absorbed radiofrequency (RF) power . Subsequently, novel methods for local SAR control and non-selective RF pulse-design are investigated. The impact of these short and energy-efficient waveforms, referred to as kT-points, is first demonstrated in the context of the small-tip-angle domain. Targeting a larger scope of applications, the kT-points design is then generalized to encompass large flip angle excitations and inversions. This concept is applied to one of the most commonly used T1-weighted sequences in neuroimaging. Results thus obtained at 7 Tesla are compared to images acquired with a clinical setup at 3 Tesla, validating the principles of the kT-points method and demonstrating that pTx-enabled ultra-high field systems can also be competitive in the context of T1-weighted imaging. Finally, simplifications in the global design of the pTx-implementation are studied in order to obtain a more cost-effective solution.