Discrete and Continuous spatial encoding methods are described with details of understanding principles and practical implications. Step by step experimental op- timization procedure of these methods to achieve slice selection are also discussed. In the subsequent chapters we use these methods for different applications. Spin-lattice relaxation parameters of NMR active nuclei provide valuable infor- mation on molecular dynamics. Single scan selective excitation methods of mea- surement of T1 result in significant reduction of time compared to the standard inversion recovery method and are attractive tools of applications in `Real time' NMR investigations of biological and chemical processes. It is shown here that the addition of the gradient echo following the selective excitation not only significantly improves the S/N ratio, but also makes GESSIR a versatile pulse sequence. Using this sequence, T1 values ranging from 2 s to 56 s have been measured with accuracy comparable to the standard IR experiment. This indicates that it is possible to utilize GESSIR for a wide range of molecules containing protons and hetero nuclei with medium to long T1 relaxation times as a routine NMR technique. The utility of the technique for studying other relaxation parameters has also been demonstrated. It may be mentioned that for measurement of relaxation parameters routinely, a few well-chosen points are enough. A fine selection of large number of experimental points could be useful when high accuracy is required or Chapter 3. GESSIR 91 for applications where certain property of the system investigated is changing in a continuous manner spatially and requires large number of slices to be selected as discussed in the next chapter. The long duration of time-honored two dimensional experiments is reduced to fraction of seconds by employing the ultrafast encoding experiments. Main com- plications in making the UF experiments available for routine use were the limited spectral widths and resolution in both UF and conventional dimensions. Various developments have been made in the path of improvements in increasing the spectral width in UF dimension. Of these, two experimental methods that are already proposed, namely the folding of peaks into the observable spectral window and the interleaved acquisition which doubles the spectral widths in both dimensions. The integration of covariance processing with ultrafast technique yields better correlated spectrum with considerable improvement in resolution. The effectiveness of the new processing is demonstrated for UF COSY experiments which can be easily extended to other ultrafast homonuclear experiments like TOCSY, NOESY as well as multi dimensions. The proposed processing method is an initial step to work on improving resolutions of UF data and making the ease of applicability of ultrafast spectroscopy as a routine multidimensional NMR. At the same time of this work W. Qui et.al [268] proposed a processing method based on covariance and pattern recognition for improving resolutions of spatially encoded data. They used pattern recognition algorithm also for avoiding the artifacts due to very low resolution data available with the UF experiment. They implemented the method UF TOCSY spectra and shown resolution improvement with the covariance pro- cessing for relatively more number of detection gradients which is many times hardware limited. Our method of covariance data processing is essentially same as that of Qui, less number of acquisition gradients were used in our processing, linear prediction and apodization concepts were utilized and the artifacts arise due mismatch of datas with positive and negative acquisition gradients are minimized by shifting one the data. In conclusion new methods of processing/the combination of various processing methods of the ultrafast data have the scope of improving the quality of ultrafast NMR spectra.

Il y a plus de soixante-dix ans que la résonance magnétique nucléaire (RMN) a été découverte, mais elle est toujours prospère et vivante, couvrant un large éventail d'applications dans les sciences, technologies et industries. Une application omniprésente de la résonance magnétique nucléaire est une technique d'imagerie appelée imagerie par résonance magnétique (IRM), qui a trouvé beaucoup d'applications en médecine, sciences, et technologie. Les techniques de transformation de Fourier dites par ''encodage dans l’espace k'' sont des méthodes d'IRM basées sur l'acquisition d'un signal de résonance magnétique en fonction d’un paramètre "k" qui sera ensuite transformé en une image par transformation de Fourier. Aujourd'hui, les techniques de Fourier sont les plus importantes en IRM, mais il existe des alternatives parmi lesquelles ''l'encodage spatial'', qui est le sujet principal de cette thèse. Dans l’encodage spatial (également connu sous le terme d’encodage temporel ou encodage spatiotemporel), l'acquisition du signal s'effectue de telle manière que l'intensité du signal ressemble à l'objet. Par conséquent, dans l'encodage spatial, la transformation de Fourier n'est pas nécessaire pour la reconstruction de l'image.Il a été montré que les techniques d'imagerie hybride à balayage unique, qui utilisent l'encodage k traditionnel dans une direction et l'encodage spatiotemporel dans l'autre, sont supérieures aux méthodes traditionnelles qui utilisent l'encodage k dans les deux directions, notamment pour supprimer les effets de variations de fréquence (causées par des champs magnétique inhomogènes, ou par la présence de plusieurs déplacements chimiques, ou toute autre source de variations de fréquence), et conduisent à des images beaucoup moins déformées que les méthodes d'imagerie traditionnelles. Dans cette thèse, l'idée de l'imagerie par résonance magnétique par encodage spatial sera discutée. La formation de l'image et les propriétés des images résultant de différentes séquences d'encodage spatial seront brièvement étudiées.Les effets de la diffusion sur une séquence hybride établie appelée "acquisition rapide par excitation séquentielle et refocalisation" (RASER) sont étudiés. On montrera que dans les séquences d'encodage spatial, l'atténuation du signal due à la diffusion n'est souvent pas uniforme sur l’ensemble de l'objet, provoquant un contraste trompeur dans l'image. Afin d'éliminer ce faux contraste, une séquence d'impulsion comprenant deux impulsions balayées en fréquence (DC-RASER) est proposée. Les résultats expérimentaux sont conformes à nos prévisions théoriques sur les effets de la diffusion dans ces séquences. Ils confirment que l'atténuation du signal due à la diffusion est uniforme sur l’ensemble de l’objet.Afin de développer les applications de l'encodage spatial à balayage unique, nous montrons comment on peut améliorer le contraste dans la séquence originale RASER. En changeant le déroulement de la séquence d'impulsions, nous avons réalisé une variante de RASER appelée RASER avec écho décalé (ES-RASER), qui fournit un niveau de contraste réglable.Enfin, nous montrons comment on peut améliorer quelques aspects des séquences à encodage temporel disponibles. En réarrangeant les gradients positifs et négatifs, nous montrons comment on peut réduire la vitesse de la commutation des gradients. Ceci est important, car une commutation rapide des gradients n'est pas toujours techniquement possible et peut en plus stimuler involontairement le système nerveux du patient. En utilisant un gradient supplémentaire, nous avons pu modifier l'ordre de détection dans la séquence originale d’encodage temporel. Cela conduit à un temps d'écho identique pour tous les échos, et à une atténuation uniforme du signal due à la relaxation. Finalement, nous montrons comment on peut répartir l’acquisition des séquences d'encodage temporel de façon entrelacée, afin de réduire l'atténuation du signal due à la diffusion. / Although Nuclear Magnetic Resonance (NMR) has been discovered more than seventy years ago, it is still thriving and alive, covering a broad spectrum of applications in science, technology and industry. One of the most ubiquitous applications of Nuclear Magnetic Resonance is an imaging technique dubbed Magnetic Resonance Imaging (MRI), which has found many applications in science, technology, and particularly in medicine. Fourier or k-encoding techniques are MRI methods based on acquiring a magnetic resonance signal as a function of the parameter “k”, a subsequent Fourier transform then will convert the signal to an image. Although nowadays Fourier techniques are prominent in MRI, there are other alternatives, among which spatial encoding, the main subject of this dissertation, should be mentioned. In spatial encoding (also known as time- or spatiotemporal-encoding), signal acquisition is performed in such a way that the signal intensity itself resembles the object. Consequently, in spatial encoding there is no need for a Fourier transform for image reconstruction.Single-scan hybrid imaging techniques that use traditional k-encoding in one direction, and spatial (time-)encoding in the other have been shown to be superior to traditional full k-encoding methods (that use k-encoding in both directions) in suppressing the effects of frequency variations (caused by inhomogeneous magnetic fields, the presence of more than one chemical shift, or any other frequency variation) and lead to images that are much less distorted than traditional single-scan imaging methods. In this dissertation the main idea behind spatial encoding magnetic resonance imaging will be introduced. Image formation and image properties in different spatial encoding sequences will also be briefly investigated.Then, the effects of diffusion on an established hybrid sequence called “Rapid Acquisition by Sequential Excitation and Refocusing, RASER” are investigated. It will be shown that in spatial encoding sequences, the attenuation of the signal due to diffusion is often not uniform across the entire object, leading to misleading contrast in the image. In order to eliminate this misleading contrast, a double-chirp RASER (DC-RASER) pulse sequence is proposed in this work. The experimental results are in accordance with our theoretical investigations about the effects of diffusion in these sequences. They also confirm that the signal attenuation due to diffusion is uniform, as expected theoretically for DC-RASER.In order to develop applications of single-scan spatial encoding MRI we show how one can enhance the contrast in the original RASER sequence. By changing the timing of the pulse sequence, we achieved a variant of RASER called Echo-Shifted RASER (ES-RASER), which provides a tunable contrast level.Finally, we show how one can improve a few aspects of the available time-encoding sequences. By rearranging positive and negative gradients we show how one can reduce the switching rate of the gradients. This is important because fast gradient switching is not always technically feasible; in addition, it may unwittingly stimulate the patient’s nervous system. By using an additional gradient we can change the detection order in the original time-encoding sequence. This leads to an identical echo-time for all echoes, and hence a uniform signal attenuation due to relaxation. Furthermore, we show how one can implement time-encoding sequences in an interleaved fashion in order to reduce signal attenuation due to diffusion.

This thesis aims at the methodological developments in Nuclear Magnetic Resonance (NMR). The methodological developments in NMR has a long and successful history. The present thesis attempts to contribute some novel methods in this direction. This thesis restricts itself to two methodological developments, namely, (1) effects of cross-correlations between the chemical shift anisotropy (CSA) and dipole-dipole interactions in the relaxation of various nuclei and experiments which utilize spatial encoding. The cross-correlation has been successfully utilized to investigate the anisotropic motions of liquid crystals, and to understand the chemical shift anisotropy of fluorine atoms of Fluorine substituted ring compounds. Spatial encoding schemes have been developed to facilitate single scan measurements of longitudinal spin lattice relaxation times and implementations of parallel search algorithms.

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Si de nombreux travaux ont été consacrés aux représentations spatiales chez le jeune adulte, la nature des modèles spatiaux, les processus qui président à leur construction et la façon dont ils se développent sont encore loin d'être compris. L'originalité de cette thèse tient au fait d'étudier conjointement les composantes cognitives et langagières dans l'acquisition des représentations d'itinéraires virtuels par des enfants (de 5 à 11 ans) et des adultes, ainsi que les différences individuelles liées à des capacités générales variées. Dans une première partie, la thèse présente les principaux concepts de la cognition spatiale issus des travaux menés chez l'adulte ainsi que l'état des connaissances théoriques et empiriques actuelles sur le développement des représentations spatiales chez l'enfant. Un chapitre s'intéresse ensuite au rôle du langage dans la construction des représentations spatiales et un autre à celui de la mémoire de travail. Afin de mieux comprendre le type de représentation qu'un enfant élabore au cours de son développement, une deuxième partie de la thèse présente trois expériences étudiant le développement des connaissances sur les repères et la route. Les deux premières études ont permis d'observer une augmentation qualitative et quantitative de la connaissance des repères, c'est-à-dire des entités spécifiques qui jalonnent un itinéraire, mais également de la connaissance de la succession de ces repères et des directions empruntées. Le rôle particulier des repères situés à un changement de direction est attesté chez l'adulte comme chez l'enfant. L'augmentation de ces connaissances avec l'âge est observée avec des tâches de production et de reconnaissance, aussi bien verbales que non-verbales. Ces résultats suggèrent l'existence d'une seule représentation commune ou de deux formats de représentations fortement reliés. Le lien important entre les informations verbales et non-verbales dans les représentations est attesté par l'observation d'un biais de type sémantique dans la reconnaissance visuelle de repères. Cependant, l'analyse des différences interindividuelles a mis en évidence le rôle de capacités visuo-spatiales telles que la perception des directions, mais pas d'influence des capacités langagières sur la capacité de représentation d'itinéraire. Une troisième étude explore le rôle des composantes verbales et visuo-spatiales de la mémoire de travail dans le développement des représentations spatiales au moyen d'un paradigme de double tâche lors de la mémorisation d'itinéraires. L'implication, notamment de la composante spatiale de la mémoire de travail au cours de la mémorisation d'itinéraire, est mise en évidence chez l'enfant. Ce résultat renforce l'idée de la dominance d'une forme de codage visuo-spatial dans le développement de la représentation qui évoluerait au profit de codages plus verbaux ou mixtes. En conclusion, cette thèse montre le développement de la capacité à se représenter un itinéraire au cours de l'enfance, attesté par des tâches de nature et de format variés. Si cette représentation semble impliquer à la fois des composantes verbales et non-verbales, ces dernières semblent être plus importantes chez l'enfant. La dernière partie de la thèse propose une discussion des implications de ces résultats pour le développement de la cognition spatiale chez l'enfant, ainsi que des perspectives pour les recherches futures. / Although many studies have investigated spatial representation in young adults, little is still known about the processes underlying how they construct spatial models, the nature of these models, and how they develop in children. The originality of this thesis is two-fold: it studies both cognitive and linguistic processes involved in how children (5 to 11 years) and adults construct representation of virtual routes; it also examines individual differences in these processes. The first part of this thesis begins with a chapter that presents the main concepts underlying spatial cognition, as well as some experimental evidence concerning adults' spatial knowledge and the development of this knowledge during childhood. A second chapter then focuses on the role of language and a third one on the role of working memory in the construction of spatial representations. In order to understand how children construct spatial representation during development, a second part of the thesis presents three experiments investigating the development of landmark and route knowledge. The first two studies show developments in the quality and quantity of knowledge concerning both landmarks (i.e. specific entities encountered along the route) and the route (i.e. the sequential order of actions and landmarks). They also provide evidence supporting the specific role of landmarks associated with changes of direction ("decisional" landmarks) in children and adults. Developmental changes in spatial knowledge were assessed by both verbal and non-verbal measures, suggesting the existence of a unique representation or of two representations that are strongly related. The relation between verbal and non-verbal information in participants' representations is evidenced by their bias toward choosing a related landmark of the same semantic category, regardless of its visual characteristics. Nevertheless, analyses show that visuo-spatial abilities such as the perception of directions, but not verbal abilities, play a main role in accounting for individual differences. The third study, investigates verbal and visuo-spatial components of working memory, using a dual task paradigm in which participants performed a verbal or spatial interference task while memorizing routes. The results support the idea that representing itineraries mostly involves a spatial mode of encoding in children and a more verbal or mixed encoding in adults. To conclude, this thesis shows a development in children's capacity to build spatial representations of virtual routes. Although their representation seems to integrate both verbal and non-verbal components, non-verbal abilities appear to be most essential for children. The last part of the thesis discusses the implications of our results for our understanding of the development of spatial cognition in children, as well as future perspectives and conclusions.

Si de nombreux travaux ont été consacrés aux représentations spatiales chez le jeune adulte, la nature des modèles spatiaux, les processus qui président à leur construction et la façon dont ils se développent sont encore loin d'être compris. L'originalité de cette thèse tient au fait d'étudier conjointement les composantes cognitives et langagières dans l'acquisition des représentations d'itinéraires virtuels par des enfants (de 5 à 11 ans) et des adultes, ainsi que les différences individuelles liées à des capacités générales variées. Dans une première partie, la thèse présente les principaux concepts de la cognition spatiale issus des travaux menés chez l'adulte ainsi que l'état des connaissances théoriques et empiriques actuelles sur le développement des représentations spatiales chez l'enfant. Un chapitre s'intéresse ensuite au rôle du langage dans la construction des représentations spatiales et un autre à celui de la mémoire de travail. Afin de mieux comprendre le type de représentation qu'un enfant élabore au cours de son développement, une deuxième partie de la thèse présente trois expériences étudiant le développement des connaissances sur les repères et la route. Les deux premières études ont permis d'observer une augmentation qualitative et quantitative de la connaissance des repères, c'est-à-dire des entités spécifiques qui jalonnent un itinéraire, mais également de la connaissance de la succession de ces repères et des directions empruntées. Le rôle particulier des repères situés à un changement de direction est attesté chez l'adulte comme chez l'enfant. L'augmentation de ces connaissances avec l'âge est observée avec des tâches de production et de reconnaissance, aussi bien verbales que non-verbales. Ces résultats suggèrent l'existence d'une seule représentation commune ou de deux formats de représentations fortement reliés. Le lien important entre les informations verbales et non-verbales dans les représentations est attesté par l'observation d'un biais de type sémantique dans la reconnaissance visuelle de repères. Cependant, l'analyse des différences interindividuelles a mis en évidence le rôle de capacités visuo-spatiales telles que la perception des directions, mais pas d'influence des capacités langagières sur la capacité de représentation d'itinéraire. Une troisième étude explore le rôle des composantes verbales et visuo-spatiales de la mémoire de travail dans le développement des représentations spatiales au moyen d'un paradigme de double tâche lors de la mémorisation d'itinéraires. L'implication, notamment de la composante spatiale de la mémoire de travail au cours de la mémorisation d'itinéraire, est mise en évidence chez l'enfant. Ce résultat renforce l'idée de la dominance d'une forme de codage visuo-spatial dans le développement de la représentation qui évoluerait au profit de codages plus verbaux ou mixtes. En conclusion, cette thèse montre le développement de la capacité à se représenter un itinéraire au cours de l'enfance, attesté par des tâches de nature et de format variés. Si cette représentation semble impliquer à la fois des composantes verbales et non-verbales, ces dernières semblent être plus importantes chez l'enfant. La dernière partie de la thèse propose une discussion des implications de ces résultats pour le développement de la cognition spatiale chez l'enfant, ainsi que des perspectives pour les recherches futures. / Although many studies have investigated spatial representation in young adults, little is still known about the processes underlying how they construct spatial models, the nature of these models, and how they develop in children. The originality of this thesis is two-fold: it studies both cognitive and linguistic processes involved in how children (5 to 11 years) and adults construct representation of virtual routes; it also examines individual differences in these processes. The first part of this thesis begins with a chapter that presents the main concepts underlying spatial cognition, as well as some experimental evidence concerning adults' spatial knowledge and the development of this knowledge during childhood. A second chapter then focuses on the role of language and a third one on the role of working memory in the construction of spatial representations. In order to understand how children construct spatial representation during development, a second part of the thesis presents three experiments investigating the development of landmark and route knowledge. The first two studies show developments in the quality and quantity of knowledge concerning both landmarks (i.e. specific entities encountered along the route) and the route (i.e. the sequential order of actions and landmarks). They also provide evidence supporting the specific role of landmarks associated with changes of direction ("decisional" landmarks) in children and adults. Developmental changes in spatial knowledge were assessed by both verbal and non-verbal measures, suggesting the existence of a unique representation or of two representations that are strongly related. The relation between verbal and non-verbal information in participants' representations is evidenced by their bias toward choosing a related landmark of the same semantic category, regardless of its visual characteristics. Nevertheless, analyses show that visuo-spatial abilities such as the perception of directions, but not verbal abilities, play a main role in accounting for individual differences. The third study, investigates verbal and visuo-spatial components of working memory, using a dual task paradigm in which participants performed a verbal or spatial interference task while memorizing routes. The results support the idea that representing itineraries mostly involves a spatial mode of encoding in children and a more verbal or mixed encoding in adults. To conclude, this thesis shows a development in children's capacity to build spatial representations of virtual routes. Although their representation seems to integrate both verbal and non-verbal components, non-verbal abilities appear to be most essential for children. The last part of the thesis discusses the implications of our results for our understanding of the development of spatial cognition in children, as well as future perspectives and conclusions.

Si de nombreux travaux ont été consacrés aux représentations spatiales chez le jeune adulte, la nature des modèles spatiaux, les processus qui président à leur construction et la façon dont ils se développent sont encore loin d'être compris. L'originalité de cette thèse tient au fait d'étudier conjointement les composantes cognitives et langagières dans l'acquisition des représentations d'itinéraires virtuels par des enfants (de 5 à 11 ans) et des adultes, ainsi que les différences individuelles liées à des capacités générales variées. Dans une première partie, la thèse présente les principaux concepts de la cognition spatiale issus des travaux menés chez l'adulte ainsi que l'état des connaissances théoriques et empiriques actuelles sur le développement des représentations spatiales chez l'enfant. Un chapitre s'intéresse ensuite au rôle du langage dans la construction des représentations spatiales et un autre à celui de la mémoire de travail. Afin de mieux comprendre le type de représentation qu'un enfant élabore au cours de son développement, une deuxième partie de la thèse présente trois expériences étudiant le développement des connaissances sur les repères et la route. Les deux premières études ont permis d'observer une augmentation qualitative et quantitative de la connaissance des repères, c'est-à-dire des entités spécifiques qui jalonnent un itinéraire, mais également de la connaissance de la succession de ces repères et des directions empruntées. Le rôle particulier des repères situés à un changement de direction est attesté chez l'adulte comme chez l'enfant. L'augmentation de ces connaissances avec l'âge est observée avec des tâches de production et de reconnaissance, aussi bien verbales que non-verbales. Ces résultats suggèrent l'existence d'une seule représentation commune ou de deux formats de représentations fortement reliés. Le lien important entre les informations verbales et non-verbales dans les représentations est attesté par l'observation d'un biais de type sémantique dans la reconnaissance visuelle de repères. Cependant, l'analyse des différences interindividuelles a mis en évidence le rôle de capacités visuo-spatiales telles que la perception des directions, mais pas d'influence des capacités langagières sur la capacité de représentation d'itinéraire. Une troisième étude explore le rôle des composantes verbales et visuo-spatiales de la mémoire de travail dans le développement des représentations spatiales au moyen d'un paradigme de double tâche lors de la mémorisation d'itinéraires. L'implication, notamment de la composante spatiale de la mémoire de travail au cours de la mémorisation d'itinéraire, est mise en évidence chez l'enfant. Ce résultat renforce l'idée de la dominance d'une forme de codage visuo-spatial dans le développement de la représentation qui évoluerait au profit de codages plus verbaux ou mixtes. En conclusion, cette thèse montre le développement de la capacité à se représenter un itinéraire au cours de l'enfance, attesté par des tâches de nature et de format variés. Si cette représentation semble impliquer à la fois des composantes verbales et non-verbales, ces dernières semblent être plus importantes chez l'enfant. La dernière partie de la thèse propose une discussion des implications de ces résultats pour le développement de la cognition spatiale chez l'enfant, ainsi que des perspectives pour les recherches futures. / Although many studies have investigated spatial representation in young adults, little is still known about the processes underlying how they construct spatial models, the nature of these models, and how they develop in children. The originality of this thesis is two-fold: it studies both cognitive and linguistic processes involved in how children (5 to 11 years) and adults construct representation of virtual routes; it also examines individual differences in these processes. The first part of this thesis begins with a chapter that presents the main concepts underlying spatial cognition, as well as some experimental evidence concerning adults' spatial knowledge and the development of this knowledge during childhood. A second chapter then focuses on the role of language and a third one on the role of working memory in the construction of spatial representations. In order to understand how children construct spatial representation during development, a second part of the thesis presents three experiments investigating the development of landmark and route knowledge. The first two studies show developments in the quality and quantity of knowledge concerning both landmarks (i.e. specific entities encountered along the route) and the route (i.e. the sequential order of actions and landmarks). They also provide evidence supporting the specific role of landmarks associated with changes of direction ("decisional" landmarks) in children and adults. Developmental changes in spatial knowledge were assessed by both verbal and non-verbal measures, suggesting the existence of a unique representation or of two representations that are strongly related. The relation between verbal and non-verbal information in participants' representations is evidenced by their bias toward choosing a related landmark of the same semantic category, regardless of its visual characteristics. Nevertheless, analyses show that visuo-spatial abilities such as the perception of directions, but not verbal abilities, play a main role in accounting for individual differences. The third study, investigates verbal and visuo-spatial components of working memory, using a dual task paradigm in which participants performed a verbal or spatial interference task while memorizing routes. The results support the idea that representing itineraries mostly involves a spatial mode of encoding in children and a more verbal or mixed encoding in adults. To conclude, this thesis shows a development in children's capacity to build spatial representations of virtual routes. Although their representation seems to integrate both verbal and non-verbal components, non-verbal abilities appear to be most essential for children. The last part of the thesis discusses the implications of our results for our understanding of the development of spatial cognition in children, as well as future perspectives and conclusions.