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.