Développement de réseaux d`antennes supraconductrices

Développement de réseaux d’antennes supraconductrices pour l’Imagerie par
Résonance Magnétique haute résolution à champ intermédiaire
En microscopie IRM, la sensibilité de détection est critique pour obtenir des images avec un
rapport signal sur bruit suffisant car l’intensité du signal RMN devient extrêmement faible. Une stratégie
alternative à l’utilisation de champs statiques élevés consiste à améliorer les performances des antennes
radiofréquences qui détectent le signal d’IRM. Plus particulièrement, la stratégie dans laquelle s’inscrit
ce travail de thèse vise à exploiter la haute sensibilité des antennes miniatures supraconductrices basées
sur le principe des résonateurs monolithiques à ligne de transmission avec comme objectif à terme la
mise en réseau de ce type d’antennes. Le développement d’un tel réseau représente un enjeu instrumental
majeur car cela permet de profiter de la haute sensibilité intrinsèque des antennes miniatures
supraconductrices tout en autorisant l’observation de zones étendues ou en profondeur. Cependant, les
caractéristiques géométriques de ces antennes et la nature des matériaux utilisés posent des difficultés
importantes pour réaliser les opérations d’accord, d’adaptation, ou découplage mutuel lors de leur
utilisation en IRM. Dans le cadre de cette thèse, nous avons conduit des travaux abordant ces différentes
problématiques et permettant la mise œuvre d’un réseau supraconducteur pour l’imagerie haute
résolution à champ clinique.
Nous avons développé en premier lieu un système permettant de réaliser automatiquement et
sans contact l’accord et l’adaptation des antennes miniatures monolithiques. Ce système utilise des
techniques, basées sur le couplage électrique et magnétique, que nous avons préalablement étudiées en
utilisant différentes méthodes. Les performances de ce système ont été étudiées et la faisabilité de sa
mise en œuvre dans une expérience d’IRM a été établie.
Nous avons abordé en second lieu le problème de découplage mutuel des éléments constituant
un réseau. Pour cela, des techniques de découplage potentiellement compatibles avec les antennes
miniatures supraconductrices ont été étudiées. En particulier, la technique de découplage par anneau de
blindage a été investie en profondeur, par simulation numérique et expérimentalement, et nous avons
développé un modèle analytique d’optimisation du niveau de découplage accessible par cette technique.
Nous avons mis en œuvre et validé cette technique avec des réseaux en cuivre de quatre antennes et des
premiers essais ont été conduits avec un réseau constitué de deux antennes miniatures supraconductrices.

Development of superconducting coil array for high resolution Magnetic Resonance
Imaging at intermediate field strength
In MRI microscopy, the sensitivity of the detection is a critical issue for acquiring images with
high signal to noise ratio because the amount of NMR signal is extremely low. An alternative to the use
of high field strength is to improve the performances of the radiofrequency coil that detect the NRM
signal. In particular, the strategy underlying the present work aims at exploiting the high sensitivity of
miniature superconducting coils based on the monolithic design of transmission line resonators, with
the long term objective of implementing an array of these coils. The development of such array
represents an important instrumental stake since it allows for benefiting from the intrinsically high
sensitivity of miniature superconducting coils while allowing the observation of extended region of
interest. However, the highly compact structure, the small size of the coil and the nature of the material
used make rise important difficulties for achieving the tuning, matching and mutual decoupling when
using these coils in MRI. In the frame of this PhD project, with conducted works to address these
problematics and allow for implementing a superconducting array for high resolution imaging at clinical
filed strength.
We have firstly developed a control system which allows for automatic and contactless tuning
and matching of miniature monolithic coils. This system uses techniques based on electric and magnetic
coupling, that we beforehand investigated using various methods. The performances of this system were
studied and the feasibility of implementing it in an MRI experiment was established.
The second part of this work addresses the issue of mutual decoupling between the elements of
an array elements. To this end, decoupling techniques being potentially compatible with miniature
superconducting coils have been studied. In particular the decoupling technique using shielding rings
has been deeply investigated, by numerical simulation and experimentally, and we have developed an
analytical model for optimizing the decoupling level achievable with this technic. We have implemented
and validated this technic with a four-element copper coil array and first trials were performed with an
array of two miniature superconducting coils.