Système d’IRM animal à champ ultra-élevé avec mise à jour technologique avancée

Contexte académique

Les systèmes d’imagerie par résonance magnétique (IRM) pour animaux occupent une place importante dans la recherche préclinique, offrant généralement des performances d’imagerie supérieures à celles des systèmes IRM humains conventionnels. Cependant, atteindre de hautes performances avec ces systèmes est un défi en raison de la complexité des composants et de l’intégration des systèmes. En particulier, les systèmes IRM animaux à champ ultra-élevé nécessitent la génération de champs magnétiques et de gradients extrêmement élevés, tout en assurant l’homogénéité et la stabilité du champ magnétique. De plus, l’installation, la maintenance et le débogage du système doivent prendre en compte plusieurs aspects tels que le blindage magnétique, le couplage mécanique et la gestion thermique. Bien que certains systèmes IRM animaux commerciaux soient disponibles sur le marché, les rapports détaillés sur les dernières mises à jour technologiques des performances matérielles (comme les aimants supraconducteurs et les bobines de gradient) manquent encore.

Cet article, rédigé par Yaohui Wang, Guyue Zhou, Haoran Chen, Pengfei Wu, Wenhui Yang, Feng Liu et Qiuliang Wang, a été publié en 2024 dans la revue npj Imaging. L’équipe de recherche provient de l’Institut d’ingénierie électrique de l’Académie chinoise des sciences, de l’Université des sciences et technologies de Huazhong et de l’Université du Queensland, entre autres institutions. Le document décrit en détail la conception, la fabrication, la mesure et l’intégration d’un système IRM animal de 7 Tesla (T), mettant en avant ses points forts technologiques en matière d’aimants supraconducteurs et de bobines de gradient.

Processus de recherche et résultats

1. Conception de l’aimant supraconducteur

L’équipe de recherche a conçu un aimant supraconducteur IRM animal de 7T à blindage actif, enroulé avec un fil supraconducteur en NbTi. La structure de la bobine magnétique comprend quatre bobines solénoïdes parallèles, qui contribuent non seulement à l’intensité du champ magnétique principal, mais réduisent également de manière significative les composantes harmoniques inhomogènes de la distribution du champ magnétique central, formant une région de champ magnétique homogène avec une homogénéité de 10 ppm (parties par million). Contrairement au mode de blindage conventionnel à double bobine, cet aimant utilise un mode de blindage à trois bobines, réduisant la portée de la ligne de 5 Gauss à ±2,95 mètres en axial et ±1,85 mètres en radial, surpassant ainsi les systèmes commerciaux (±3 mètres et ±2 mètres). Cette conception compacte de blindage facilite l’installation et la maintenance du système.

2. Conception des bobines de gradient

La conception des bobines de gradient a adopté une stratégie de minimisation de la force de Lorentz, garantissant que la force résiduelle des bobines de gradient est inférieure à 0,1 Newton dans un environnement de champ magnétique statique ultra-élevé. Grâce à une stratégie d’optimisation de super-blindage, l’intensité maximale du champ magnétique parasite des bobines de gradient a été minimisée à 4 Gauss. L’intensité du champ magnétique des bobines de gradient est de 200 mT/m, avec une homogénéité de ±2,5 %. De plus, le taux de commutation (slew rate) des bobines de gradient a été optimisé pour atteindre 503,9357 T/m/s (axe Z), 1070,3454 T/m/s (axe X) et 929,9312 T/m/s (axe Y).

3. Mesure et shimming de l’aimant

L’aimant a été mesuré à une intensité de champ magnétique de 7,02 T, avec un verrouillage du champ magnétique réalisé à l’aide d’une sonde de résonance magnétique nucléaire (RMN). Après plus de 7 heures d’échantillonnage continu, le taux de décroissance du champ magnétique a été mesuré à 0,0494 ppm/h, indiquant une stabilité suffisante pour les applications IRM. Ensuite, l’équipe de recherche a effectué un shimming à l’aide de bobines de shimming supraconductrices et de pièces de fer passives, atteignant une homogénéité de champ magnétique de 7,66 ppm dans un volume sphérique de 130 mm.

4. Intégration et débogage du système

L’équipe de recherche a développé un logiciel d’imagerie propriétaire pour déboguer le système IRM. Le logiciel prend en charge plusieurs séquences d’impulsions, y compris la suppression de graisse, la suppression d’eau, le balayage dynamique amélioré, la suppression des artefacts de mouvement, l’imagerie de diffusion et l’imagerie angiographique. Grâce à ce logiciel, l’équipe a réussi à acquérir des images IRM de fantômes, de fruits et d’organismes. Par exemple, en utilisant la séquence d’écho de spin (SE), des images de fantômes et d’oranges ont été obtenues, avec un rapport signal/bruit (SNR) de 167,6. De plus, l’équipe a mené une expérience sur des rats, obtenant avec succès des images de la structure physiologique de la tête des rats, sans observer d’artefacts significatifs ni d’interférences de bruit externe.

Conclusion et signification

Cette étude a permis de développer avec succès un système IRM animal de 7T, mettant en avant ses points forts technologiques en matière d’aimants supraconducteurs et de bobines de gradient. La conception de super-blindage de l’aimant a considérablement réduit la portée de la ligne de 5 Gauss, assurant la sécurité et la commodité du système. Grâce à la combinaison du shimming supraconducteur et passif, l’homogénéité du champ magnétique a atteint 7,66 ppm, avec une stabilité de 0,0494 ppm/h, suffisante pour les opérations IRM standard. La conception des bobines de gradient, en minimisant la force de Lorentz et le champ magnétique parasite, a assuré la sécurité mécanique et la qualité d’imagerie du système.

Le développement de ce système fournit une plateforme puissante pour la recherche scientifique sur les modèles animaux, avec une valeur scientifique et des perspectives d’application importantes dans le domaine des mises à jour technologiques des systèmes IRM à champ ultra-élevé. À l’avenir, l’équipe de recherche optimisera davantage les fonctionnalités du système pour favoriser la production de davantage de résultats scientifiques.

Points forts de la recherche

1. Conception de super-blindage : Le mode de blindage à trois bobines de l’aimant a considérablement réduit la portée de la ligne de 5 Gauss, surpassant les systèmes commerciaux.
2. Homogénéité et stabilité du champ magnétique : Grâce au shimming supraconducteur et passif, l’homogénéité du champ magnétique a atteint 7,66 ppm, avec une stabilité de 0,0494 ppm/h.
3. Optimisation des bobines de gradient : La minimisation de la force de Lorentz et du champ magnétique parasite a assuré la sécurité mécanique et la qualité d’imagerie du système.
4. Logiciel d’imagerie propriétaire : Prend en charge plusieurs séquences d’impulsions, permettant d’obtenir des images de haute qualité de fantômes, de fruits et d’organismes.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également décrit en détail les paramètres de conception de l’aimant supraconducteur et des bobines de gradient, y compris les dimensions des bobines, la densité de courant, l’homogénéité du champ magnétique, etc., fournissant des références techniques précieuses pour les chercheurs dans ce domaine. De plus, le logiciel d’imagerie propriétaire et la plateforme d’intégration développés par l’équipe de recherche jettent les bases pour des extensions et des optimisations futures.

Cette étude a réalisé des progrès importants dans la conception matérielle et l’intégration des systèmes IRM animaux à champ ultra-élevé, offrant un soutien technique puissant pour la recherche préclinique.