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Réseau d'antennes flexible polyvalent pour l'IRM haute résolution à 7T – FLEXAR7

FLEXAR7

Le développement d’un réseau d’antennes monolithiques, modulaire et flexible, à haute sensibilité pour l’IRM chez l’homme à haut champ est un enjeu instrumental majeur qui permettra de dépasser les performances actuelles en IRM haute résolution et constituera une avancée déterminante pour le diagnostic et le suivi de traitement thérapeutique dans de nombreuses applications de l’IRM nécessitant des résolutions poussées.

Enjeux et objectif

L’objectif global de ce projet est de combiner les différentes stratégies d’amélioration de la sensibilité de détection en imagerie par résonance magnétique (IRM) afin de dépasser les performances actuellement accessibles en IRM haute résolution chez l’homme. Ce projet vise au développement, depuis la conception jusqu’à la mise en œuvre effective en IRM, d’un réseau flexible à haute sensibilité d’antennes RF miniatures, destiné à l’imagerie très haute résolution des articulations périphériques (main, poignet, genou, cheville, pied) dans un appareil corps entier de 7 Tesla. <br />Le réseau de détection radiofréquence envisagé dans ce projet sera composé de 32 antennes miniatures (diamètre 2 cm) fabriquées sur substrat souple. La réussite de ce projet pluridisciplinaire passera par la levée de verrous technologiques d’une part, au regard de la mise en œuvre des systèmes de détection développés, et par des avancées scientifiques d’autre part concernant la conception et l’étude de ces systèmes et les techniques d’acquisition et de traitement d’image. <br />Ainsi, il s’agira au cours de ce projet de développer une technique de simulation robuste dédiée à l’étude et la conception de réseau d’antennes auto-résonantes basées sur le principe des lignes de transmission. L’objectif est de disposer d’une technique de simulation mixte permettant l’analyse complète des systèmes de détection radiofréquence par la prise en compte d’une part de l’environnement électromagnétique du réseau lors d’une expérience d’IRM et par l’intégration d’autre part des différents éléments constitutif de la chaîne d’acquisition des signaux radiofréquences

Ce projet s’articule autour de 3 tâches principales :
La tâche 1 consistera à concevoir, étudier et optimiser par simulation numérique les systèmes de détection radiofréquences envisagés dans ce projet et sera assurée conjointement par l’IR4M et le MRCE. Nous développerons pour ce faire une méthode de simulation mixte dédiée au réseau d’antennes à lignes de transmission et permettant la prise en compte de l’environnement électromagnétique lors d’une expérience d’IRM et l’intégration des éléments constitutifs de la chaîne d’acquisition des signaux radiofréquences.
La tâche 2 sera consacrée à la réalisation des circuits de connexion et de conditionnement du signal d’une part, et au développement des protocoles d’imagerie (acquisition et reconstruction) d’autre part. Elle sera assurée conjointement par l’IR4M et le MRCE. Nous fournirons des solutions originales, pour le découplage entre antennes voisines, le découplage à l’émission et la transmission du signal, ayant des performances robustes au regard de la flexibilité du réseau.
La tâche 3 portera sur l’évaluation des performances des systèmes de détection réalisés au cours de ce projet, et plus particulièrement du réseau d’antennes final. Les systèmes de détection seront étudiés sur table, à l’aide d’outils de caractérisation électromagnétique spécifiquement développés par l’IR4M afin de déterminer le gain en sensibilité obtenu et l’augmentation du champ de vue accessible. Nous procéderons ensuite à la validation en imagerie des performances du réseau d’antennes réalisé. Cette tâche sera assurée par le MRCE et se déroulera à Vienne.

Dans cette première moitié du projet, nous avons conçu, à l’aide de modélisation numérique et outils de simulation électromagnétique 3D, les éléments individuels constituent le réseau. A la suite de cette étape, nous avons évalué les performances de ces éléments individuels par simulation et mesure sur table.
La réussite de cette première étape nous a permis d’aborder la conception d’un réseau de 12 éléments. Nous avons en particulier développé une technique de découplage à anneaux de blindage pouvant être optimisée analytiquement quel que soit la géométrie de l’antenne. Plusieurs études par simulation ont été conduites afin d’évaluer les performances et limitations de cette technique. Par simulation, nous nous démontré the les anneaux de blindages peuvent être utilisés pour découpler des résonateurs à ligne de transmission pour l’IRM à 7T sans dégrader la sensibilité de détection. Sur la base de ces résultats préliminaires, un réseau de 12 éléments a été simulé afin de déterminer le champ B1+ obtenu et la matrice de paramètre S et ainsi valider les performances de découplage accessibles avec les anneaux de blindage.
A la suite de ces études par simulation, des circuits imprimés flexibles du réseau de 12 éléments et des éléments individuels (avec et sans anneau de blindage) ont été fabriqués. De plus, les circuits électroniques d’interfaçage, contenant les commutateurs de transmission/réception, les préamplificateurs, les diviseurs de puissances et les faisceaux de câblages ont été fabriqués. Les effets des anneaux de blindage ont été évalués sur table, le réseau prototype de 12 éléments a été assemblé et ses performances ont été déterminés sur table.
En parallèle, nous avons proposé un nouveau concept d’antenne monolithique radiofréquence ; Le résonateur multi-tour multi-fente. Ce nous concept offre des dégrée de liberté supplémentaires pour l’accord des résonateurs auto-résonant et permet ainsi d’élargir leur champ d’application en IRM.

Dans la deuxième moitié du projet, nous finaliserons la fabrication du réseau et nous optimiserons finement ses performances. Ensuite, des fantômes dédiés, reproduisant les propriétés de différents sites anatomiques seront réalisés. Ils seront utilisés pour évaluer sur table les performances du réseau en condition de charge. Des séquences d’acquisition spécifiques seront développées et les performances u réseau seront finalement évaluées par IRM.
En parallèle, nous débuterons la rédaction d’un article complet présentant l’ensemble des résultats obtenus et nous présenterons les résultats intermédiaires dans plusieurs conférences scientifiques.

Li, Z., Kriegl, R., Hosseinnezhadian, S., Poirier-Quinot, M., Laistler, E., Darrasse, L. Ginefri J-C. Investigation on shielding-ring based decoupling technique for small monolithic RF coils. in 32nd European Society for Magnetic Resonance in Medicine and Biology (ESMRMB). Edimbourg, (Ecosse), Octobre 2015
Kriegl, R., Ginefri, J-C., Poirier-Quinot, M., Darrasse, L., Moser, E., Laistler, E., Multi-turn Multi-gap Transmission Line Resonators - First Tests at 7 T. in 23rd Scientific Meeting of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2015). Toronto (Canada) Mai 2015
Li, Z., Kriegl, R., Laistler, E., Poirier-Quinot, M., Darrasse, L. Ginefri J-C., Preliminary investigation on shielding-ring based decoupling technique for small monolithic RF coils. in 23rd Scientific Meeting of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM 2015). Toronto (Canada) Mai 2015

L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est un outil d’investigation clinique majeur donnant accès de manière non invasive à des informations quantitatives et fonctionnelles, mais dont la qualité des images est insuffisante pour certaines applications nécessitant des résolutions spatiales et/ou temporelles poussées. Afin d’améliorer la sensibilité de détection en IRM, il est possible d’augmenter l’intensité du champ magnétique des imageurs, d’améliorer les performances des systèmes de détection radiofréquence (RF), ou encore de développer des techniques d’acquisition et de reconstruction plus efficaces.
L’objectif scientifique de ce projet pluridisciplinaire est de combiner ces différentes stratégies d’amélioration pour dépasser les performances actuelles en IRM chez l’homme. L’application biomédicale visée par ce projet concerne l’imagerie haute résolution (voxel de (50µm)3) des articulations périphériques (main, poignet, pied, cheville) pour le diagnostic de traumatismes (lésions ligamentaires) et de pathologies articulaires telles que la polyarthrite rhumatoïde (détection précoce de l’érosion osseuse).
La visée technologique de ce projet représente une innovation instrumentale majeure et concerne le développement d’un réseau flexible à haute sensibilité composé de 32 antennes miniatures (diamètre 2 cm) pour l’imagerie dans un appareil corps entier de 7T et dont la forme pourra être adaptée de façon spécifique pour l’imagerie d’une zone anatomique donnée.
Ce projet met en synergie les compétences complémentaires du laboratoire d’Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités (IR4M, Univ. Paris-Sud, France) et du Centre d'Excellence en Résonance Magnétique (MRCE, Univ. de Vienne, Autriche).
Ce projet est structuré en 4 tâches thématiques (coordination, conception et fabrication, conditionnement du signal et installation, évaluation des performances) pour permettre une avancée conjointe des développements instrumentaux et méthodologiques. Des solutions alternatives ont été identifiées pour les tâches les plus critiques afin garantir de l’aboutissement du projet dans les délais prévus.
Le réseau flexible envisagé sera basé sur le principe des résonateurs monolithiques à ligne de transmission. Il sera conçu et étudié par simulation numérique. En particulier, des solutions originales seront recherchées pour le conditionnement du signal (découplage, adaptation). La fabrication du système (masquage et lithographie sur support souple) sera sous-traitée. En parallèle, les circuits électroniques annexes et les protocoles d’imagerie (acquisition et reconstruction) seront développés. Des caractérisations sur table seront faites et les performances du système de détection final seront déterminées en imagerie dans un appareil corps entier de 7T afin d’évaluer l’amélioration de l’utilité diagnostic des images obtenues.
A l’issue de ce projet, nous disposerons d’un outil de détection pour l’IRM original et à haute sensibilité permettant de visualiser in vivo des structures articulaires jusque là inobservables. D’un point de vue technologique, la réussite de ce projet passera par la levée de plusieurs difficultés au regard de la conception et du développement des systèmes de détection RF et ouvrira de ce fait de nouvelles perspectives de développement dans les domaines de l’instrumentation biomédicale. Sur le plan applicatif, cette amélioration sera primordiale pour le diagnostic de pathologies articulaires mais bénéficiera à d’autres applications biomédicales de l’IRM pour lesquelles la sensibilité de détection demeure un facteur limitant, telles que la dermatologie, l’étude de plaques artérielles et les neurosciences.
La combinaison du haut niveau d’expertise de l’IR4M en méthodologie et instrumentation pour l’IRM et de l’expérience internationalement reconnue du MRCE en micro-imagerie à haut champ représente un regroupement de savoir faire scientifique et technique unique à la hauteur des ambitions portées par ce projet.

Coordinateur du projet

Monsieur Jean-Christophe GINEFRI (Université Paris Sud, Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

MRCE Magnetic Resonance Centre of Excellence
IR4M/U-PSUD Université Paris Sud, Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités

Aide de l'ANR 142 688 euros
Début et durée du projet scientifique : août 2014 - 36 Mois

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