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.

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.

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.

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.