Abstract The purpose of this study was to evaluate the value of 0.23T low-field magnetic resonance imaging (MRI) and nanocolloid (NC) scintigraphy in assessing joint pathology associated with rheumatoid arthritis (RA). Fat suppression methods combined with contrast media enhancement aid in distinguishing enhancing inflamed tissue from the surrounding fat, especially in the imaging of arthritic joints. The feasibility and image quality of a phase-shift water-fat MRI method for fat suppression at low-field 0.23T open configuration MR scanner was evaluated. The technique was combined with contrast-enhanced imaging to assess the conspicuity of synovial hypertrophy in the joints of 30 RA patients. Improved conspicuity and delineation of synovitis was detected with this method. However, because of a great amount of manual post processing, future development is needed to make this method more feasible. Contrast-enhanced MRI and NC scintigraphy may provide objective and quantitative information about the inflammatory activity in arthritic joints. The value of quantitative and semiquantitative measures of inflammation derived from NC scintigraphy and low-field MRI of the wrist joint of 28 early RA patients was evaluated. Furthermore, it was investigated whether these parameters have predictive value of further erosive development during two years of follow-up. Strong correlations were detected between the NC scintigraphy and MRI measures, and these parameters were associated with laboratory markers of inflammation. During the two-year follow-up, the initial MRI and NC scintigraphy measures were closely related with the progression of wrist joint erosions. Small erosive-like bone defects can occasionally be found in wrist MRI of patients without clinically overt arthritis. The prevalence of these lesions was studied in bilateral wrist MRI examinations of 31 healthy persons. Small lesions resembling erosions were detected in 14 out of 31 subjects. Altogether 24 of the 930 wrist bones evaluated showed such lesions (3%). Thus small changes resembling erosions can be found in the wrist MRI of healthy subjects; the significance of these findings must always be interpreted with reference to the clinical picture. In conclusion, early RA patients with high local inflammatory activity, as detected by NC scintigraphy and MRI are at risk of developing further bone damage. Furthermore, in the follow-up of early RA patients, if clinically sustained response is not achieved, these methods help to identify patients who need more intensive drug treatment.

The aim of this thesis is to perform Magnetic Resonance Imaging at very low field (from 1 mT to 10 mT). A new kind of sensor called "mixed sensor" has been used to achieve a good detectivity at low frequencies. Combining a superconducting loop and a giant magnetoresistance, those detectors have a competitive equivalent field noise compared to existing devices (Tuned coils, SQUIDs and Atomic Magnetometers). They have been combined with flux transformers to increase the coupling between the sample and the sensor. A complete study has been performed to adapt it to mixed sensors and then maximize the gain. This set has been incorporated in an existing small MRI device to test its robustness in real conditions. In parallel, several MRI sequences (GE, SE, FLASH, EPI, ...) have been integrated and adapted to very low field requirements. They have been used to perform in-vivo three dimensional imaging and relaxometry studies on well known products to test their reliability. Finally, a larger setup adapted for full-head imaging has been designed and built to perform images on a larger working volume.

L’enjeu principal de cette thèse a été de démontrer la faisabilité de l’Imagerie par Résonance Magnétique à très bas champ (entre 1 mT et 10 mT). Pour ce faire, un nouveau type de capteur, appelé “capteur mixte”, a été utilisé. Ce détecteur est le résultat de l’association d’une magnétorésistance géante avec une boucle supraconductrice. Il génère un bruit en champ comparable aux détecteurs les plus utilisés dans cette gamme de fréquence (Bobine accordées, SQUIDs, Magnétomètres atomique optique). Le couplage entre l’échantillon observé et le capteur mixte a été grandement amélioré à travers l’utilisation d’un transformateur de flux. Cet intermédiaire a été conçu et optimisé pour maximiser la sensibilité en champ du “capteur mixte”. Cet ensemble a ensuite été introduit dans un IRM à très bas champ magnétique pour tester son efficacité in-situ. Parallèlement, différentes séquences d’IRM (GE, SE, FLASH, EPI,...) ont été développées spécifiquement pour le très bas champ. Elles ont été utilisées pour réaliser de l’imagerie tridimensionnelle in-vivo ainsi que des études relaxométriques sur divers produits. Enfin, un système d’IRM “tête entière” a été construit pour permettre l’acquisition d’images à très bas champ magnétique sur un large volume. / The aim of this thesis is to perform Magnetic Resonance Imaging at very low field (from 1 mT to 10 mT). A new kind of sensor called “mixed sensor” has been used to achieve a good detectivity at low frequencies. Combining a superconducting loop and a giant magnetoresistance, those detectors have a competitive equivalent field noise compared to existing devices (Tuned coils, SQUIDs and Atomic Magnetometers). They have been combined with flux transformers to increase the coupling between the sample and the sensor. A complete study has been performed to adapt it to mixed sensors and then maximize the gain. This set has been incorporated in an existing small MRI device to test its robustness in real conditions. In parallel, several MRI sequences (GE, SE, FLASH, EPI, ...) have been integrated and adapted to very low field requirements. They have been used to perform in-vivo three dimensional imaging and relaxometry studies on well known products to test their reliability. Finally, a larger setup adapted for full-head imaging has been designed and built to perform images on a larger working volume.

Durch die Einführung der MRT-Untersuchung am stehenden sedierten Pferd ist deren Anzahl deutlich angestiegen. Hierbei stellen sich neue Fragen und Herausforderungen bezüglich der Einschätzung der Vielzahl an auftretenden Signalveränderungen. Es ergeben sich aber auch neue Möglichkeiten bezüglich der statistischen Auswertung von Befunden mit aussagekräftigen Fallzahlen. In dieser Studie sollte daher untersucht werden, wie Signalveränderungen statistisch verwendbar beschrieben und eingestuft werden können. Weiterhin sollte die Verteilung der Befunde insgesamt und bei der bilateralen Untersuchung der Vordergliedmaßen bestimmt werden. Mögliche Rückschlüsse auf deren klinische Bedeutung sollten gezogen werden. Hierzu wurden 120 bilaterale Niederfeld-MRT-Untersuchungen der Hufregion (240 Gliedmaßen) am stehenden Pferd durch zwei Tierärzte gesichtet und eine Befundbeschreibung mit einem Einstufungsschema (Grade 1-4) entsprechend dem vorgefundenen Spektrum an Signalveränderungen erstellt. Durch Anwendung und Zusammenfassung 66 wiederholte Diskussion der verschiedenen Kriterien im 1. Bewertungsdurchgang wurden die Beschreibungen und Grade auf Grundlage bestehender Literatur ausgearbeitet. In einem 2. Bewertungsdurchgang wurden die Strukturen eingestuft und die Ergebnisse statistisch ausgewertet. Hierbei wurden die generellen Häufigkeiten der Signalabweichungen erfasst und deren Zusammenhang zum Auftreten von unilateralen oder bilateralen Lahmheiten beachtet. Signalabweichungen am Strahlbein, der Tiefen Beugesehne und dem Hufgelenk standen deutlich im Vordergrund. Hierbei waren Strahlbeinveränderungen signifikant häufiger bei beidseitig lahmen Pferden zu finden, während Sehnenveränderungen deutlich häufiger bei einseitig lahmen Pferden vorgefunden wurden. Hufgelenkveränderungen wurden hingegen nicht signifikant vermehrt bei bilateralen oder unilateralen Lahmheiten festgestellt. Die Fesselbein-Strahlbein-Hufbeinbänder zeigten eine Häufung von Signalabweichungen bei lahmen Gliedmaßen, wobei diese vermehrt in Zusammenhang mit starken Veränderungen des Strahlbeins zu beobachten waren. Bei den übrigen Strukturen ließ sich kein statistisch aussagekräftiger Zusammenhang feststellen, da die Fallzahlen mit dem deutlichsten Befund an diesen Strukturen zu gering für eine Auswertung waren. Die entstandene Befundbeschreibung mit Einstufungsschema ermöglicht Vergleiche der MRT-Veränderungen z.B. mit klinischen Parametern. Signalabweichungen bestimmter Strukturen konnten statistisch eindeutig mit dem Auftreten und der Art der Lahmheit in Verbindung gebracht werden, während dies bei anderen Strukturen nicht möglich war. Hieraus ergeben sich Hinweise für die Einschätzung der Befunde und ihrer klinischen Relevanz. Insbesondere geringgradige Befunde sollten vorsichtig bewertet werden, da diese auch häufig bei nicht lahmen Gliedmaßen auftraten. Weitere statistische Vergleiche mit klinischen Parametern sind möglich und notwendig um das Krankheitsbild des „Equinen palmaren Fußsyndroms“ weiter zu untersuchen. / As a result of adopting MRI examinations for standing sedated horses their number has increased significantly. In this respect there are new questions and challenges being faced regarding estimating the huge number of occurring signal changes. New possibilities also arise regarding the statistical analysis of findings with convincing number of examined cases. In this study therefore it should be investigated how signal changes can be suitably described and classified statistically. Furthermore, the distribution of the findings as a whole and in the bilateral investigations of the forelimbs should be ascertained. Possible conclusions should be drawn regarding their clinical significance. Concerning this, 120 bilateral low-field-MRI examinations of the foot (240 limbs) on a standing horse were looked at by two veterinarians and a description of the analysis with a classification scheme (grades 1-4) corresponding to the existing spectrum of signal changes was compiled. By applying and repeatedly discussing the various Summary 68 criteria in the first evaluation round the descriptions and grades were worked out on the basis of existing literature. In a second evaluation round the structures were classified and the results statistically evaluated. In this regard the general frequency of signal deviations was recorded and its connection to the occurrence of unilateral or bilateral lameness was observed. Signal deviations at the navicular bone, deep digital flexor tendon and the coffin joint noticeably prevailed. In this respect changes to the navicular bone were found significantly more frequently in bilaterally lame horses while changes in tendons were found significantly more often in unilaterally lame horses. In contrast, changes in the coffin joint were not significantly more in bilateral or unilateral lameness. The collateral sesamoidean ligaments showed an accumulation of signal deviations at lame limbs, whereby this was observed more frequently in connection with pronounced changes of the navicular bone. In the remaining structures no statistically significant connection was found as the number of examined cases with the most significant results at these structures was too low for an evaluation. The related description of the findings with a classification scheme enables comparisons of MRI changes e.g. with clinical parameters. Signal deviations of certain structures were found to be clearly statistically associated with the occurrence and type of lameness, while this was not possible at other structures. This provides useful information for evaluating findings and their clinical relevance. Low-grade findings should be interpreted with caution since these also occurred frequently at non-lame limbs Further statistical comparisons with clinical parameters are possible and necessary in order to further examine the clinical picture of the equine palmar foot syndrome.

Durch die Einführung der MRT-Untersuchung am stehenden sedierten Pferd ist deren Anzahl deutlich angestiegen. Hierbei stellen sich neue Fragen und Herausforderungen bezüglich der Einschätzung der Vielzahl an auftretenden Signalveränderungen. Es ergeben sich aber auch neue Möglichkeiten bezüglich der statistischen Auswertung von Befunden mit aussagekräftigen Fallzahlen. In dieser Studie sollte daher untersucht werden, wie Signalveränderungen statistisch verwendbar beschrieben und eingestuft werden können. Weiterhin sollte die Verteilung der Befunde insgesamt und bei der bilateralen Untersuchung der Vordergliedmaßen bestimmt werden. Mögliche Rückschlüsse auf deren klinische Bedeutung sollten gezogen werden. Hierzu wurden 120 bilaterale Niederfeld-MRT-Untersuchungen der Hufregion (240 Gliedmaßen) am stehenden Pferd durch zwei Tierärzte gesichtet und eine Befundbeschreibung mit einem Einstufungsschema (Grade 1-4) entsprechend dem vorgefundenen Spektrum an Signalveränderungen erstellt. Durch Anwendung und Zusammenfassung 66 wiederholte Diskussion der verschiedenen Kriterien im 1. Bewertungsdurchgang wurden die Beschreibungen und Grade auf Grundlage bestehender Literatur ausgearbeitet. In einem 2. Bewertungsdurchgang wurden die Strukturen eingestuft und die Ergebnisse statistisch ausgewertet. Hierbei wurden die generellen Häufigkeiten der Signalabweichungen erfasst und deren Zusammenhang zum Auftreten von unilateralen oder bilateralen Lahmheiten beachtet. Signalabweichungen am Strahlbein, der Tiefen Beugesehne und dem Hufgelenk standen deutlich im Vordergrund. Hierbei waren Strahlbeinveränderungen signifikant häufiger bei beidseitig lahmen Pferden zu finden, während Sehnenveränderungen deutlich häufiger bei einseitig lahmen Pferden vorgefunden wurden. Hufgelenkveränderungen wurden hingegen nicht signifikant vermehrt bei bilateralen oder unilateralen Lahmheiten festgestellt. Die Fesselbein-Strahlbein-Hufbeinbänder zeigten eine Häufung von Signalabweichungen bei lahmen Gliedmaßen, wobei diese vermehrt in Zusammenhang mit starken Veränderungen des Strahlbeins zu beobachten waren. Bei den übrigen Strukturen ließ sich kein statistisch aussagekräftiger Zusammenhang feststellen, da die Fallzahlen mit dem deutlichsten Befund an diesen Strukturen zu gering für eine Auswertung waren. Die entstandene Befundbeschreibung mit Einstufungsschema ermöglicht Vergleiche der MRT-Veränderungen z.B. mit klinischen Parametern. Signalabweichungen bestimmter Strukturen konnten statistisch eindeutig mit dem Auftreten und der Art der Lahmheit in Verbindung gebracht werden, während dies bei anderen Strukturen nicht möglich war. Hieraus ergeben sich Hinweise für die Einschätzung der Befunde und ihrer klinischen Relevanz. Insbesondere geringgradige Befunde sollten vorsichtig bewertet werden, da diese auch häufig bei nicht lahmen Gliedmaßen auftraten. Weitere statistische Vergleiche mit klinischen Parametern sind möglich und notwendig um das Krankheitsbild des „Equinen palmaren Fußsyndroms“ weiter zu untersuchen. / As a result of adopting MRI examinations for standing sedated horses their number has increased significantly. In this respect there are new questions and challenges being faced regarding estimating the huge number of occurring signal changes. New possibilities also arise regarding the statistical analysis of findings with convincing number of examined cases. In this study therefore it should be investigated how signal changes can be suitably described and classified statistically. Furthermore, the distribution of the findings as a whole and in the bilateral investigations of the forelimbs should be ascertained. Possible conclusions should be drawn regarding their clinical significance. Concerning this, 120 bilateral low-field-MRI examinations of the foot (240 limbs) on a standing horse were looked at by two veterinarians and a description of the analysis with a classification scheme (grades 1-4) corresponding to the existing spectrum of signal changes was compiled. By applying and repeatedly discussing the various Summary 68 criteria in the first evaluation round the descriptions and grades were worked out on the basis of existing literature. In a second evaluation round the structures were classified and the results statistically evaluated. In this regard the general frequency of signal deviations was recorded and its connection to the occurrence of unilateral or bilateral lameness was observed. Signal deviations at the navicular bone, deep digital flexor tendon and the coffin joint noticeably prevailed. In this respect changes to the navicular bone were found significantly more frequently in bilaterally lame horses while changes in tendons were found significantly more often in unilaterally lame horses. In contrast, changes in the coffin joint were not significantly more in bilateral or unilateral lameness. The collateral sesamoidean ligaments showed an accumulation of signal deviations at lame limbs, whereby this was observed more frequently in connection with pronounced changes of the navicular bone. In the remaining structures no statistically significant connection was found as the number of examined cases with the most significant results at these structures was too low for an evaluation. The related description of the findings with a classification scheme enables comparisons of MRI changes e.g. with clinical parameters. Signal deviations of certain structures were found to be clearly statistically associated with the occurrence and type of lameness, while this was not possible at other structures. This provides useful information for evaluating findings and their clinical relevance. Low-grade findings should be interpreted with caution since these also occurred frequently at non-lame limbs Further statistical comparisons with clinical parameters are possible and necessary in order to further examine the clinical picture of the equine palmar foot syndrome.

In equine medicine, experience regarding MRI of chronic tendon lesions is limited, and evidence on the suitability of different sequences in 3 T high-field MRI is scarce. Therefore, macroscopically healthy and altered tendons were examined by histology and in 0.27 T low- and 3 T high-field MRI, focusing on T1-weighted (T1w) sequences to visualize chronic lesions. In high-field MRI, tendons were positioned parallel (horizontal) and perpendicular (vertical) to the magnetic field, acknowledging the possible impact of the magic angle effect. The images were evaluated qualitatively and signal intensities were measured for quantitative analysis. Qualitative evaluation was consistent with the quantitative results, yet there were differences in lesion detection between the sequences. The low-field T1w GRE sequence and high-field T1w FLASH sequence with vertically positioned tendons displayed all tendon lesions. However, the horizontally scanned high-field T1w SE sequence failed to detect chronic tendon lesions. The agreement regarding tendon signal intensities was higher between high-field sequences scanned in the same orientation (horizontal or vertical) than between the same types of sequence (SE or FLASH), demonstrating the impact of tendon positioning. Vertical scanning was superior for diagnosis of the tendon lesions, suggesting that the magic angle effect plays a major role in detecting chronic tendon disease.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) appliquée au domaine vétérinaire exploite des systèmes à bas champ magnétostatique qui ont de nombreux avantages, notamment leur faible coût d'achat et d'entretien. Mais sur ces machines, les capteurs radiofréquence (RF) sont initialement dédiées à l'homme et ne permettent pas une qualité d'image optimale. Dans le cadre de cette thèse, des méthodes simples d'optimisation de capteurs à 0,2 T ont été développées, puis exploitées pour des applications de recherche et préclinique. Le travail d'optimisation a été partagé en deux axes. Dans un premier temps, un modèle analytique a été développé sous MATLAB pour l'estimation du rapport signal sur bruit intrinsèque à un capteur paramétré par ses dimensions et les propriétés de l'objet imagé. La validation du modèle a été obtenue par la comparaison entre mesures et simulations du facteur de qualité. Cette méthode d'optimisation a été appliquée pour deux études spécifiques qui ont fait l'objet d'une publication. Dans un second temps, un travail sur le découplage actif a été mené. En effet, sur l'IRM 0,2 T à notre disposition, le découplage passif est la méthode retenue par le constructeur. Mais pour certaines applications des artefacts d'imagerie sont inévitables et le facteur de qualité réduit. Des moyens de découplage actif ont donc été développés. Les performances des capteurs ainsi équipés se sont avérées meilleures qu'en découplage passif. Ce système de découplage associé à un dispositif de connexion par couplage inductif du signal de résonance magnétique a été également démontré à 3 T comme une preuve de concept d'un dispositif de connexion universelle. Ce dispositif a fait l'objet d'un article récemment soumis pour publication / Magnetic resonance imaging {MRl) in veterinary practice employs low magnetostatic field devices which have numerous advantages such as their low maintenance and initial cost. Yet, the radiofrequency {RF) coils commercially provided with these devices are dedicated to human morphology, therefore reducing image quality. ln this work, simple optimization methods for 0.2 T RF coils were developed for an implementation in research and preclinical studies. Optimization protocol was subdivided into two main steps. First, an analytical model was developed using MATLAB in order to estimate the intrinsic signal to noise ratio variations with coil and imaged sample characteristics. Validation of the model was assessed thanks to quality factor comparison between simulated and measured values. The use of the analytical model for two specific studies was described in a recently accepted publication. Second, active decoupling was investigated. lndeed, passive decoupling is the decoupling method implemented on the 0.2 T MR device at our disposal. However, this technique can lack of efficiency in some experiments, inducing imaging artifacts and reduced quality factor. Active decoupling method was therefore implemented. The electronic performances of the coils equipped this way were better than in passive decoupling. This active decoupling device combined with an inductive coupling connecting system was tested at 3 T to demonstrate the technical feasibility of a new universal connecting device, for which an article was recently submitted