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.

L'objectif de ces travaux a été de démontrer l'intérêt d'appliquer la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) à des problématiques analytiques dans le domaine des produits de santé. Deux axes principaux ont été abordés. Le premier cible principalement les compléments alimentaires adultérés. Les études ont été menées par RMN à haut champ. Diverses expériences de RMN mono et bidimensionnelles ont permis de mettre en évidence la présence illicite, dans des compléments alimentaires déclarés comme naturels, de médicaments à visée érectile et/ou de leurs analogues structuraux. Ces substances actives peuvent induire, à l'insu du consommateur, des risques importants pour sa santé. De plus, des analyses menées par RMN 1H et 13C ont permis de révéler des cas d'adultération de compléments alimentaires pour sportifs par des substances considérées comme dopantes par la règlementation en vigueur. Le second axe a été mené en explorant les potentialités de la RMN à bas champ pour l'analyse de médicaments. Cette technique, moins onéreuse et plus adaptée à des analyses de routine que la RMN à haut champ, s'est avérée très efficace pour mettre en évidence des cas de médicaments falsifiés par de simples expériences RMN 1H monodimensionnelles. Des expériences bidimensionnelles de diffusion (DOSY : Diffusion Ordered SpectroscopY), qui permettent d'obtenir la séparation virtuelle des constituants d'un mélange complexe, ont été mises au point et appliquées, pour la première fois, à la dé-formulation d'un médicament. / The purpose of this research was to demonstrate the interest of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) to deal with analytical issues in the field of health products. The studies focused on two main axes. The first one targeted adulterated dietary supplements and the studies were conducted with high-field NMR. Various mono and bidimensional experiments revealed the illegal presence in dietary supplements claimed as natural, of erectile drugs and/or their structural analogues. These active substances can induce, without the consumer's knowledge, significant risks to his health. Moreover, analyses conducted with 1H and 13C NMR, highlighted cases of adulteration of dietary supplements for exercise and athletic performance with doping substances. The second axis explored the potential of low-field NMR for drug analysis. This technique, which is less expensive and more suitable for routine analyses than high-field NMR, has proved very effective in detecting cases of falsified medicines by simple one-dimensional 1H NMR experiments. Two-dimensional diffusion experiments (DOSY: Diffusion Ordered Spectroscopy), which provide virtual separation of the constituents of a complex mixture, were developed and applied for the first time to the de-formulation of a drug.

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Identification of trace unknown analytes in complex samples remains a significant challenge for analytical chemistry. Mass spectrometry (MS) and analytical separations techniques can now be used to develop and support a new analytical strategy called non-target analysis which aims to provide comprehensive identification and quantification of all detectable chemical species in a complex sample. This thesis addresses challenges currently limiting the utility of this non-target approach by developing analytical methods for acquiring MS data suitable for identification of trace unknowns and investigating current tools available for unknown identification from MS spectral data. Liquid chromatography (LC) - MS, a widely used technique in trace analysis, was used to develop an analytical method capable of simultaneously acquiring high resolution MS and tandem mass spectrometry (MS/MS) data for hundreds of metabolites in urine. An emerging separation technique called high field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) was also investigated, as an alternative to LC, for the identification of non-target analytes in urine. Modifications were carried out to the FAIMS-MS source interface allowing for transmission of small metabolite ions from FAIMS to MS. The challenge of direct electrospray (ESI) in urine analysis using ESI-FAIMS-MS was addressed by using sample dilution and extending MS data acquisition time using FAIMS. This allowed for higher quality MS data to be acquired for low abundance urinary metabolites than was possible by LC-MS and the complete elimination of ionization suppression in dilute urine samples. Insight gained into ESI suppression in complex samples allowed for two methods of semi-quantification to be proposed for non-target analytes in complex samples without using unavailable chemical standards. To address the challenge of unknown identification, faced throughout this thesis, an integrated approach was implemented to identify metabolites based only on spectral data without the usual requirement of availability of chemical standards. This approach combined spectral libraries, literature reports on ion chemistry and de novo identification based on gas phase ion chemistry with a detailed fragmentation study on nucleic acid bases, notably protonated uracil. Together, the instrumental methods and approaches to data analysis described allowed for the identification of 110 abundant chemical species detected in urine. / Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, Ontario Ministry of Training, Colleges and Universities, Canadian Foundation for Innovation

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.

Le LNCMI est un grand équipement du CNRS. Il met à la disposition de la communauté scientifique internationale des aimants produisant des champs magnétiques intenses (entre 24 et 36 Teslas pendant plusieurs heures), utilisés par les chercheurs comme un moyen d'exploration et de contrôle de la matière. Dans la thèse, nous nous intéressons à la simulation de ce type d'aimants, dans le but de les étudier, d'optimiser leur design, ou encore de faire des analyses d'incidents. Ces modèles 30 sont basés sur des équations aux dérivées partielles couplées non-linéaires. Au vu de leur complexité, nous avons développé des méthodes de réduction d'ordre, permettant de réduire considérablement les temps de calcul associés. En particulier, nous pensons avoir levé un verrou majeur de l'utilisation du cadre méthodologique de réduction d'ordre pour des problèmes multi-physiques non-linéaires. / The magnetic field constitutes a powerfull tool for researchers, especially to determine the properties of the matter. This kind of applications requires magnetic fields of high intensity. The "Laboratoire National des Champs Magnetiques Intenses" (LNCMI) develops resistive magnets providing such magnetic field to scientists. The design of these magnets represents a challenge interms of design. We have developed a range of non-linear coupled models taking into account the whole involved physics, implemented through the Feel++ library. Designed for many query context, the reduced basis method applied to the multi-physics model aims to circumvent the complexity of the problem. lts efficiency allows to move towards parametric studies and sensitivity analysis in various concrete applications. Especially, the method SER we introduce in this thesis is a significant breakthrough for non-linear and non-affine problems in an industrial context.

L’ambition des très hauts champs magnétiques (≥ 7T) à forts gradients (≥ 300mT/m) est de dépasser la résolution millimétrique imposée à plus bas champ pour atteindre l’échelle mésoscopique en neuroimagerie. Etudier le cerveau à cette échelle est essentiel pour comprendre le lien entre fonction et substrat anatomique. Malgré les progrès réalisés sur les aimants cliniques à 7T, il n’en est pas de même des gradients. Cette thèse vise à cartographier le cerveau humain à l’échelle mésoscopique via l’étude de pièces anatomiques post mortem. Une approche alternative a été choisie, reposant sur l'utilisation d'imageurs précliniques à très hauts champs (7T et 11.7T) et forts gradients (780mT/m). Après une première étape de préparation (extraction et fixation) opérée au CHU de Tours, une pièce anatomique complète a été scannée à 3T, avant découpe de l’hémisphère gauche en sept blocs. Un protocole d’acquisition IRM ciblant une résolution mésoscopique a ensuite été mis en place à 11.7T. Ce protocole, incluant des séquences anatomiques, relaxométriques, et de diffusion, a été validé à l’aide de deux structures clé: un hippocampe et un tronc cérébral. Les données anatomiques et de diffusion acquises à une résolution mésoscopique sur l’hippocampe ont permis de segmenter ses sous-champs, d’extraire le circuit polysynaptique et d’observer l’existence d’un gradient de connectivité et de densité neuritique positif dans la direction postéro-antérieure de l’hippocampe. L’utilisation de modèles avancés d’étude de la microstructure a également révélé l’apport de ces techniques pour la segmentation de l’hippocampe, les cartes de densité neuritique révélant les trois couches des champs ammoniens. Un tronc cérébral a ensuite été scanné, avec une résolution atteignant la centaine de micromètres. Une segmentation de 53 de ses 71 noyaux a été réalisée au sein du CHU de Tours, permettant d’établir la cartographie IRM du tronc cérébral humain la plus complète à ce jour. Les principaux faisceaux de la substance blanche ont été reconstruits, ainsi que les projections du locus coeruleus, structure connue pour être atteinte dans le maladie de Parkinson. Forts de ces résultats, la campagne d'acquisition de l'hémisphère gauche, d’une durée de 10 mois, a été initiée. Le protocole d’acquisition à 11.7T intègre des séquences anatomiques (100/150µm) ainsi que des séquences d'imagerie 3D pondérées en diffusion (b=1500/4500/8000 s/mm², 25/60/90 directions) à 200µm. Des acquisitions complémentaires réalisées à 7T comprenant des séquence d’écho de spin rapide avec inversion-récupération ont par ailleurs permis d’étudier la myéloarchitecture du cortex cérébral et d’identifier automatiquement sa structure laminaire. Un nouveau modèle de mélange de Gaussiennes a été développé, intégrant les informations myéloarchitecturales issues de la cartographie T1 et les informations cytoarchitecturales issues de l’imagerie de diffusion. Il a ainsi pu être démontré que l’utilisation conjointe de ces deux informations permettait de mettre en évidence des couches du cortex visuel, l’information myéloarchitecturale favorisant l’extraction des couches externes et la densité neuritique celle des couches plus profondes. Enfin, l’exploitation des données IRM acquises à 11.7T sur les différents blocs a nécessité la mise en place d’une chaîne de prétraitements pour corriger les artéfacts d’imagerie et reconstruire l’hémisphère entier à l’aide de stratégies de recalage difféomorphe avancées. L’objectif de ce projet est l’obtention d’un jeu de données IRM de très haute résolution spatio-angulaire de l’hémisphère gauche. Ce jeu de données anatomique et de diffusion unique permettra à terme de constituer un nouvel atlas IRM mésoscopique de la structure, de la connectivité et de la cytoarchitecture du cerveau humain. / The aim of ultra-high field strength (≥7T) and ultra-strong gradient systems (≥300mT/m) is to go beyond the millimeter resolution imposed at lower field and to reach the mesoscopic scale in neuroimaging. This scale is essential to understand the link between brain structure and function. However, despite recent technological improvements of clinical UHF-MRI, gradient systems remain too limited to reach this resolution. This thesis aims at answering the need for mapping the human brain at a mesoscopic scale by the study of post mortem samples. An alternative approach has been developed, based on the use of preclinical systems equipped with ultra-high fields (7T/11.7T) and strong gradients (780mT). After its extraction and fixation at Bretonneau University Hospital (Tours), an entire human brain specimen was scanned on a 3T clinical system, before separating its two hemispheres and cutting each hemisphere into seven blocks that could fit into the small bore of an 11.7T preclinical system. An MRI acquisition protocol targeting a mesoscopic resolution was then set up at 11.7T. This protocol, including anatomical, quantitative, and diffusion-weighted sequences, was validated through the study of two key structures: the hippocampus and the brainstem. From the high resolution anatomical and diffusion dataset of the human hippocampus, it was possible to segment the hippocampal subfields, to extract the polysynaptic pathway, and to observe a positive gradient of connectivity and neuritic density in the posterior-anterior direction of the hippocampal formation. The use of advanced microstructural models (NODDI) also highlighted the potential of these techniques to reveal the laminar structure of the Ammon’s horn. A high resolution anatomical and diffusion MRI dataset was obtained from the human brainstem with an enhanced resolution of a hundred micrometers. The segmentation of 53 of its 71 nuclei was performed at the Bretonneau University Hospital, making it the most complete MR-based segmentation of the human brainstem to date. Major white matter bundles were reconstructed, as well as projections of the locus coeruleus, a structure known to be impaired in Parkinson’s disease. Buoyed by these results, a dedicated acquisition campaign targeting the entire left hemisphere was launched for total scan duration of 10 months. The acquisition protocol was performed at 11.7T and included high resolution anatomical sequences (100/150μm) as well as 3D diffusion-weighted sequences (b=1500/4500/8000 s/mm², 25/60/90 directions, 200μm). In addition, T1-weighted inversion recovery turbo spin echo scans were performed at 7T to further investigate the myeloarchitecture of the cortical ribbon at 300µm, revealing its laminar structure. A new method to automatically segment the cortical layers was developed relying on a Gaussian mixture model integrating both T1-based myeloarchitectural information and diffusion-based cytoarchitectural information. The results gave evidence that the combination of these two contrasts highlighted the layers of the visual cortex, the myeloarchitectural information favoring the extraction of the outer layers and the neuritic density favoring the extraction of the deeper layers. Finally, the analysis of the MRI dataset acquired at 11.7T on the seven blocks required the development of a preprocessing pipeline to correct artifacts and to reconstruct the entire hemisphere using advanced registration methods. The aim was to obtain an ultra-high spatio-angular resolution MRI dataset of the left hemisphere, in order to establish a new mesoscopic post mortem MRI atlas of the human brain, including key information about its structure, connectivity and microstructure.

Preklinické magneticko-rezonanční (MR) zobrazování na malých zvířatech je velmi aktuální a vyžaduje, vzhledem k rozměrům těchto zvířat, vyšší citlivost. Vyšší citlivosti lze dosáhnout použitím MR systému s vysokým základním magnetickým polem (např. 4,7 T a výše). Vyšší citlivost přináší výhody v podobě možnosti vyššího rozlišení, lepší poměr signál-šum, větší chemický posuv, prodloužení longitudinální relaxace (T1), atd. Na druhou stranu vyšší magnetické pole znamená větší deformace základního magnetického pole na rozhraních tkání s rozdílnou susceptibilitou a zkrácení transverzální relaxace (T2). Tuková tkáň je významně zastoupena v lidském těle a primárně sloužící pro uchovávání energie ve formě tuků. Tukovou tkáň lze rozdělit na hnědou a bílou tukovou tkáň. Hnědá tuková tkáň se vyskytuje hlavně u novorozenců, ale může být ve velmi malém množství také u dospělých jedinců. Bílá tuková tkáň je určena pro ukládání tuků, které slouží jako zdroj energie. Kromě toho bílá tuková tkáň produkuje adipokiny, hormony a mnoho dalších látek důležitých pro náš metabolizmus. Tuk lze obecně považovat jako biomarker při určitých nemocech (obezita, steatóza jater, a další). Z tohoto důvodu je kvantifikace tuku velmi důležitá pro správnou diagnózu. V MR zobrazování je speciální skupina metod pro separaci vody a tuku. Tyto metody se nazývají Dixonovy metody a jejich princip je založen na chemickém posuvu. V této práci je popsána nová T2-váhovaná sekvence pro Dixonovu akvizici (Kapitola 5.3). Navržená sekvence je z hlediska akviziční doby velmi efektivní a řadí se mezi tříbodové Dixonovy (3PD) techniky. Nově navržená sekvence fast triple spin echo Dixon (FTSED) vychází z původní sekvence rychlého spinového echa (FSE). Modifikací původní sekvence FSE vedla ke vzniku nové sekvence FTSED, která umožňuje získat tři obrazy během jediné akvizice, bez toho aniž bychom prodloužili celkovou dobu měření. Sekvence byla úspěšně implementována na 9,4 T MRI systém na Ústavu přístrojové techniky v Brně. Získaná data byla pak zpracována iterativně pomocí algoritmu IDEAL (iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation). Výsledkem jsou separátní obrazy vody a tuků, z kterých lze vypočítat mapy frakce tuku (FF-mapy). Sekvence byla ověřena na fantomech a poté byla odzkoušena potkanovi. Úspěšná implementace této metody na 9,4 T MRI systému znamená, že může být použita také na MR zobrazovacích systémech s nižšími magnetickými poli.

The thesis at hand addresses design, characterization and experimental testing of pulsed high-field magnets for utilization in the field of laser-plasma physics. The central task was to establish a technology platform that allows to manipulate laser-driven ion sources in a way that the accelerated ions can be used in complex application studies, e.g. radiobiological cell or tumor irradiation. Laser-driven ion acceleration in the regime of target normal sheath acceleration (TNSA) offers the unique opportunity to accelerate particles to kinetic energies of few 10MeV on the micrometer scale. The generated bunches are short, intense, show broad exponentially decaying energy spectra and high divergence. In order to efficiently use the generated particles, it is crucial to gain control over their divergence directly after their production. For most applications it additionally is favorable to reduce the energy spread of the beam. This work shows that the developed pulsed high-field magnets, so-called solenoids (cylindrical magnets), can efficiently capture, transport and focus laser-accelerated protons. The chromaticity of the magnetic lens thereby provides for energy selection. Three prototype solenoids, adapted to fit different application scenarios, and associated current pulse drivers have been developed. The magnets generate fields of several 10 T. Pulse durations are of the order of one millisecond and thus the fields can be considered as quasi-static for laser-plasma interaction processes taking place on the ps- to ns-scale. Their high field strength in combination with abandoning magnetic cores make the solenoids compact and light-weight. The presented experiments focus on a solenoid magnet designed for the capture of divergent laser-driven ion beams. They have been carried out at the 6MV tandetron accelerator and the laser acceleration source Draco of Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf as well as at the PHELIX laser of GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt.

La raréfaction de l'hélium utilisé pour le refroidissement des aimants supraconducteurs pousse les fabricants d'aimants supraconducteurs à se tourner vers d'autres types de supraconducteurs performants qui peuvent être employés et refroidis par conduction solide; C'est le cas du MgB₂ . Découvert en 2001, sa température critique (39 K), sa production en série sous différentes formes (rubans, câbles, films etc…) sur de grandes longueurs permettent d'envisager une utilisation à un prix compétitif dans les aimants en remplacement des supraconducteurs basses températures historiques que sont le NbTi et le Nb₃Sn.Cependant, les conducteurs en MgB₂doivent encore être améliorés notamment leur tenue mécanique par rapport aux conducteurs en NbTi et leurs performances réelles à hauts champs doivent encore être démontrées dans les applications concrètes.Cette thèse a pour but le dimensionnement et la fabrication d'un prototype d'aimant MgB₂ refroidi par conduction solide générant un champ au centre de 2 T dans un champ de fond de 3 T. Trois longueurs de conducteur ont du être soudées par deux jonctions résistives au centre du bobinage complexifiant la fabrication du prototype. La thèse s'articule autour de trois axes structurant. Tout d'abord, des caractérisations des performances supraconductrices et mécaniques de différents conducteurs en MgB₂ permettent de sélectionner le conducteur utilisé pour le bobinage du prototype. Ensuite, le dimensionnement du prototype est présenté : calculs mécaniques, thermiques, magnétiques et thermalisation de l'aimant sans oublier la protection. Après la phase de dimensionnement, les étapes nécessaires à la fabrication du prototype (bobinage,imprégnation, mise en place de l'instrumentation et des systèmes de thermalisations) sont détaillées. Afin de valider les étapes précédentes et les performances du prototype, la thèse se termine par une présentation et une analyse des résultats des tests effectués sur le prototype. / Helium shortage is an issue for superconducting magnets and drives superconducting magnet designer to find other types of effective superconductors that could be used in conduction-cooled magnets.MgB₂ is a promising superconducting material and could fill the demand. MgB₂ was discovered in2001, its critical temperature (39 K) as well as its mass production of a variety of shapes (ribbons, films, cables, wires…) over long length makes MgB₂ a competitive substitute to historical low temperature superconductors such as NbTi and Nb₃Sn in magnets. Although promising, MgB₂ conductors still need mechanical improvement compared to NbTi's and their performance in practical applications has yet to be demonstrated especially for low bending radius magnets. This thesis aims to design and builda MgB₂ conduction-cooled prototype generating a 2 T on the axis on its own in a 3 T background field. Three lengths of conductors were fused by two resistive junctions at the very heart of the winding challenging the design and the fabrication because of the thermal issues. The thesis focuses on three main topics. First, superconducting and mechanical performances of several MgB₂ conductors candidates for the prototype are analyzed and discussed. The design calculation (magnetic, mechanical,thermalization of the prototype and protection) and all the fabrication process (winding, instrumentation, thermal apparatus and impregnation) are presented. In order to validate the fabrication steps and the performances of the prototype, the protoype is tested and the results discussed in the last chapter.