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Diese Doktorarbeit befasst sich mit der methodischen Entwicklung von Akquisition- und Rekonstruktionstechniken zur Anwendung von Echtzeit-Bildgebungstechniken auf das Gebiet der dynamischen kontrastmittelgestützten Magentresonanztomographie. Zur Unterdrückung unerwünschter Bildartefakte wird eine neue Spoiling-Technik vorgeschlagen, die auf randomisierten Phasen der Hochfrequenzanregung basiert. Diese Technik erlaubt eine schnelle, artefaktfreie Aufnahme von T1-gewichteten Rohdaten bei radialer Abtastung. Die Rekonstruktion quantitativer Parameterkarten aus solchen Rohdaten kann als nichtlineares, inverses Problem aufgefasst werden. In dieser Arbeit wird eine modellbasierte Rekonstruktionstechnik zur quantitativen T1-Kartierung entwickelt, die dieses inverse Problem mittels der iterativ regularisierten Gauß-Newton-Methode mit parameterspezifischer Regularisierung löst. In Simulationen sowie in-vitro- und in-vivo-Studien wird Genauigkeit und Präzision dieser neuen Methode geprüft, die ihre direkte Anwendung in in-vitro-Experimenten zur "first-pass"-Perfusion findet. In diesen Experimenten wird ein kommerziell verfügbares Phantom verwendet, dass in-vivo-Perfusion simuliert und gleichzeitig vollständige Kontrolle über die vorherrschenden Austauschraten erlaubt.

Magnetic resonance imaging is an essential tool for assessing soft tissues. The desire for increased signal-to-noise and improved tissue contrast has spurred development of imaging systems operating at magnetic fields exceeding 3.0 Tesla (T). Unfortunately, traditional imaging methods are of limited utility on these systems. Novel imaging methods are required to exploit the potential of high field systems and enable innovative clinical studies. This thesis presents methodological advances for human brain imaging at 4.7 T. These methods are applied to assess sub-cortical gray matter in multiple sclerosis (MS) patients. Safety concerns regarding energy deposition in the patient precludes the use of traditional fast spin echo (FSE) imaging at 4.7 T. Reduced and variable refocusing angles were employed to effectively moderate this energy deposition while maintaining high signal levels; an assortment of time-efficient FSE images are presented. Contrast changes were observed at low angles, but images maintained a clinically useful appearance. Heterogeneous transmit fields hinder the measurement of transverse relaxation times. A post-processing technique was developed to model the salient signal behaviour and enable accurate transverse relaxometry. This method is robust to transmit variations observed at 4.7 T and improves multislice imaging efficiency. Gradient echo sequences can exploit the magnetic susceptibility difference between tissues to enhance contrast, but are corrupted near air/tissue interfaces. A correction method was developed and employed to reliably produce a multitude of quantitative and qualitative image sets. Using these techniques, transverse relaxation times and susceptibility field shifts were measured in sub-cortical nuclei of relapsing-remitting MS patients. Abnormalities in the globus pallidus and pulvinar nucleus were observed in all quantitative methods; most other regions differed on one or more measures. Correlations with disease duration were not observed, reaffirming that the disease process commences prior to symptom onset. The methods presented in this thesis enable efficient qualitative and quantitative imaging at high field strength. Unique challenges, notably patient safety and field variability, were overcome via sequence implementation and data processing. These techniques enable visualization and measurement of unique contrast mechanisms, which reveal insight into neurodegenerative diseases, including widespread sub-cortical gray matter damage in MS.

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Seconde affection parasitaire dans le monde derrière la malaria, la bilharziose ou schistosomiase demeure une maladie infectieuse tropicale négligée. L'espèce Schistosoma mansoni est la principale responsable de la forme digestive de la bilharziose humaine pouvant évoluer vers une pathologie chronique grave chez 5 à 10 % des individus infectés. Plusieurs années après l’infection, une fibrose hépatique importante se développe dans le foie et la paroi de l’intestin. La fibrose peut entraîner une hypertension portale et des varices gastro-oesophagiennes dont la rupture est potentiellement létale. Cette complication hépatosplénique est souvent associée à une hépatomégalie et une splénomégalie. L’objectif de ce travail était de fournir la première caractérisation longitudinale par IRM in vivo du modèle murin de schistosomiase digestive obtenu par infection de souris CBA/J avec Schistosoma mansoni. Le second objectif était la mise au point d’une technique quantitative ou semi-quantitative permettant d’évaluer la fibrose hépatique dans ce modèle. Nos données d’imagerie anatomique avec et sans agent de contraste (Gd-DOTA) et de relaxométrie (cartographies par mesure des temps de relaxation T2 et T2*) ont permis de confirmer les points communs entre le modèle murin de schistosomiase et la maladie humaine en termes d’organomégalie, d’inflammation granulomateuse, de fibrose et d’atteinte du système porte. Nos résultats suggèrent que le paramètre T2 pourrait être un biomarqueur non invasif et semi-quantitatif de la fibrose hépatique bilharzienne qui pourrait être utile dans le diagnostic et le suivi de la complication hépatosplénique et dans l’évaluation de nouvelles thérapies. / The second parasitic disease in the world behind malaria, bilharzia or schistosomiasis remains a neglected tropical infectious disease. Schistosoma mansoni is the main cause of the digestive form of human schistosomiasis that can progress to a severe chronic pathology in 5 to 10% of infected individuals. Several years after infection, significant hepatic fibrosis develops around parasite eggs in the liver and intestinal wall. Fibrosis can lead to portal hypertension and gastroesophageal varices, the rupture of which is potentially lethal. This hepato-splenic complication of digestive schistosomiasis is often associated with hepatomegaly and splenomegaly. The standard technique for the diagnosis of liver fibrosis is biopsy. The classical non-invasive evaluation of liver fibrosis is done by ultrasound imaging using an international classification scale (Niamey scale). Echography allows the assessment of portal hypertension by measuring the diameter of the portal vein and enables the detection of portal varices. The aim of this work was to provide the first in vivo longitudinal MRI characterization of the murine model of digestive schistosomiasis obtained by infection of CBA/J mice with Schistosoma mansoni. The second objective was to develop a quantitative or semi-quantitative method to evaluate liver fibrosis in this model. Our anatomical and volumetric data show that the murine model of schistosomiasis shares several features with the human disease such as organomegaly, granulomatous inflammation, and portal vein involvement. We propose that T2 mapping could help detect and follow-up semi-quantitatively fibrosis-related schistosomiasis.

NMR is gaining increasing interest in civil engineering for applications regarding microstructure characterization as e.g., to determine pore sizes or to monitor moisture transport in porous materials. This study reveals the capability of NMR as a tool for pore size characterization. Therefore, we measured floor screed and synthetic materials at partial and full saturation. For most examined materials, the pore size distribution was successfully determined using either a reference or a calibration method. Since diffusion effects were observed for some samples in single-sided NMR measurements, further tests employing an NMR core analyzer were carried out in a homogeneous magnetic field. The finally obtained surface relaxivity of floor screed (50 μm/s) resulted to be much higher than suggested by literature.

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L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil remarquable pour le diagnostic clinique, aussi bien pour l'imagerie cérébrale que pour l'imagerie cardiaque et abdominale. C'est notamment la seule modalité d'imagerie qui permet de visualiser et de caractériser l'oedème myocardique. Cependant, la gestion du mouvement reste un problème récurrent en IRM cardiaque. Tant le battement cardiaque que la respiration nécessitent une prise en compte attentive lors de l'acquisition des images et limitent la résolution temporelle et spatiale accessible en pratique clinique courante. L'approche adoptée dans ce travail propose d'intégrer ces mouvements physiologiques dans le processus de reconstruction des images et permet ainsi de réaliser des explorations cardiaques en respiration libre. Un algorithme de reconstruction itératif, corrigeant les mouvements estimés par un modèle contraint par les signaux physiologiques, est dans un premier temps appliqué à l'imagerie cardiaque morphologique. Ses performances vis-à-vis d'une méthode semi-automatique de détection de l'oedème sont évaluées. Il a également été utilisé en association avec une méthode d'acquisition adaptative, afin de permettre l'acquisition d'images en télésystole et en respiration libre. Dans un deuxième temps, cette méthode a été étendue à la quantification du temps de relaxation transversale T2. La cartographie T2 du coeur fournit en effet une caractérisation de l'oedème myocardique. La méthode de reconstruction présentée, ARTEMIS, permet de réaliser cette cartographie en respiration libre et sans allongement du temps d'examen. Ces méthodes exploitent des signaux physiologiques afin d'estimer le mouvement ayant eu lieu pendant l'acquisition. Différentes solutions pour obtenir ces informations physiologiques ont donc également été explorées. Parmi elles, les capteurs à base d'accéléromètres permettent de multiplier les points de mesure alors que les informations "embarquées" dans la séquence d'acquisition IRM ("navigateur") facilitent le déploiement de ces techniques puisqu'elles évitent de recourir à des équipements supplémentaires. Ainsi pendant ces travaux, des méthodes de reconstruction adaptatives ont été développées afin de corriger le mouvement et de prendre en compte les spécificités de chaque patient. Ces travaux ouvrent la voie de l'imagerie par résonance magnétique cardiaque en respiration libre dans un contexte clinique / Magnetic resonance imaging (MRI) is a valuable tool for the clinical diagnosis for brain imaging as well as cardiac and abdominal imaging. For instance, MRI is the only modality that enables the visualization and characterization myocardial edema. However, motion remains a challenging problem for cardiac MRI. Breathing as well as cardiac beating have to be carefully handled during patient examination. Moreover they limit the achievable temporal and spatial resolution of the images. In this work an approach that takes these physiological motions into account during image reconstruction process has been proposed. It allows performing cardiac examination while breathing freely. First, an iterative reconstruction algorithm, that compensates motion estimated from a motion model constrained by physiological signals, is applied to morphological cardiac imaging. A semi-automatic method for edema detection has been tested on reconstructed images. It has also been associated with an adaptive acquisition strategy which enables free-breathing end-systolic imaging. This reconstruction has then been extended to the assessment of transverse relaxation times T2, which is used for myocardial edema characterization. The proposed method, ARTEMIS, enables free-breathing T2 mapping without additional acquisition time. The proposed free breathing approaches take advantage of physiological signals to estimate the motion that occurs during MR acquisitions. Several solutions have been tested to measure this information. Among them, accelerometer-based external sensors allow local measurements at several locations. Another approach consists in the use of k-space based measurements, which are "embedded" inside the MRI pulse sequence (navigator) and prevent from the requirement of additional recording hardware. Hence, several adaptive reconstruction algorithms were developed to obtain diagnostic information from free breathing acquisitions. These works allow performing efficient and accurate free breathing cardiac MRI