Conception et test d’un système d’IRM 3.0 T sans hélium liquide et léger

Contexte académique

L’imagerie par résonance magnétique (IRM), en tant que technologie d’imagerie non invasive et sans rayonnement, est largement utilisée dans le diagnostic médical et la recherche scientifique. En particulier, les systèmes d’IRM à champ élevé peuvent fournir une résolution spatiale plus élevée et un contraste tissulaire plus riche dans les études sur les petits animaux et l’analyse des matériaux, offrant ainsi aux chercheurs des données d’imagerie plus précises. Cependant, les systèmes d’IRM 3.0 T traditionnels dépendent de la technologie d’aimants supraconducteurs refroidis à l’hélium liquide, ce qui entraîne non seulement des coûts élevés, mais aussi une consommation importante d’hélium liquide et des impacts environnementaux significatifs liés à son entretien. De plus, ces systèmes sont volumineux, nécessitant un espace important pour leur installation et leur fonctionnement, ce qui limite leur utilisation dans les laboratoires et les petites institutions de recherche.

Pour résoudre ces problèmes, la technologie des aimants supraconducteurs sans hélium liquide (cryogen-free) est devenue un sujet de recherche majeur ces dernières années. Cette technologie élimine la dépendance à l’hélium liquide grâce à des chemins de refroidissement conductifs efficaces et à des techniques d’isolation vibratoire mécanique, réduisant considérablement les coûts de fonctionnement et de maintenance du système. Toutefois, les systèmes d’IRM sans hélium liquide font encore face à des défis en termes de stabilité et d’uniformité du champ magnétique, notamment dans des conditions de champ élevé où de faibles fluctuations du champ magnétique peuvent entraîner une baisse significative de la qualité de l’image. Par conséquent, concevoir un système d’IRM 3.0 T sans hélium liquide, léger, performant et rentable devient une direction clé dans le développement actuel de la technologie IRM.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Jinhao Liu, Miutian Wang*, Youheng Sun, Kaisheng Lin, Wenchen Wang, Yaohui Wang, Weimin Wang, Qiuliang Wang et Feng Liu. L’équipe de recherche provient de l’École d’ingénierie électrique de l’Université Jiaotong de Xi’an, de l’École d’électronique de l’Université de Pékin, du Département de génie biomédical de l’École de technologie future de l’Université de Pékin, de l’École d’ingénierie informatique et électrique de l’Université du Queensland ainsi que de l’Institut d’ingénierie électrique de l’Académie chinoise des sciences. L’article a été publié en 2017 dans la revue IEEE Transactions on Biomedical Engineering.

Processus de recherche et résultats

1. Conception de l’aimant supraconducteur sans hélium liquide

L’équipe de recherche a tout d’abord conçu un aimant supraconducteur sans hélium liquide de 3.0 T pesant environ 1100 kg. Pour garantir la stabilité à long terme du champ magnétique, l’équipe a optimisé les chemins de refroidissement conductif, l’isolation vibratoire, l’amortissement mécanique et la stabilité structurelle de l’aimant. En particulier, grâce à l’utilisation d’anneaux thermiques en cuivre et de boucliers de rayonnement thermique en aluminium, le chemin de transfert thermique entre les bobines de l’aimant et la tête froide a été amélioré, réduisant ainsi les fluctuations du champ magnétique causées par le moteur de réfrigération. De plus, l’équipe a renforcé la stabilité structurelle du système en fixant fermement la base de l’aimant au sol à l’aide de vis en acier.

2. Optimisation de l’uniformité et de la stabilité du champ magnétique

Pour améliorer l’uniformité du champ magnétique, l’équipe de recherche a utilisé des techniques de shim passives et actives. La méthode de shim passive a permis de réduire l’uniformité pic-à-pic et l’erreur quadratique moyenne (RMSE) à 22,41 ppm et 3,69 ppm respectivement dans un volume sphérique de 180 mm de diamètre (DSV). Par la suite, grâce aux bobines de shim actives, l’uniformité a été améliorée à 4,18 ppm et 1,02 ppm.

En ce qui concerne la stabilité du champ magnétique, l’équipe a réussi à réduire l’amplitude des fluctuations du champ magnétique de 2,168 µT à 0,004 µT, soit une diminution de 99,81 %, en optimisant les chemins de transfert thermique et les techniques d’amortissement mécanique. Grâce à une analyse rapide par transformée de Fourier (FFT), l’équipe a constaté que les fluctuations du champ magnétique après optimisation étaient principalement concentrées à la fréquence de 1 Hz, correspondant à la fréquence de fonctionnement de la tête froide, avec une réduction significative des harmoniques supérieurs.

3. Conception des bobines de gradient et des bobines RF

L’équipe de recherche a conçu une bobine de gradient double couche avec une amplitude de crête de 200 mT/m et une technologie avancée de blindage pour limiter les champs magnétiques parasites à moins de 1,2 gauss. De plus, l’équipe a développé une bobine RF orthogonale à cage d’oiseau à 8 canaux pour l’imagerie des petits animaux. Cette bobine avait une fréquence de résonance de 131 MHz en l’absence de charge, qui est descendue à 127 MHz sous charge, montrant une bonne uniformité du champ RF.

4. Développement de la console IRM

L’équipe de recherche a développé une console IRM maison basée sur le concept de radio logicielle définie (SDR). Cette console utilise un cadre composé d’une interface analogique frontale-A/D-champ de portes programmables (FPGA)-D/A-interface analogique frontale, réalisant ainsi des fonctions telles que la génération de formes d’onde RF, le calcul de gradients, le stockage de données et la communication. Grâce à une technique de préaccentuation numérique, la console peut compenser efficacement les effets de courants de Foucault induits par les bobines de gradient, améliorant encore la qualité de l’image.

5. Expériences d’imagerie animale et matérielle

Dans les expériences d’imagerie du cerveau de souris, l’équipe a utilisé des séquences d’écho de spin rapide (FSE) et d’imagerie pondérée en diffusion par plan d’écho (EP-DWI), corrigeant les artefacts dus aux fluctuations du champ magnétique grâce à une technique de correction par écho de navigation. Les résultats ont montré que le système pouvait afficher clairement les zones d’hémorragie et d’infarctus cérébral chez les souris, avec une résolution et une qualité d’image nettement supérieures à celles des systèmes IRM traditionnels.

De plus, l’équipe a utilisé la technique d’imagerie par point unique (SPI) pour obtenir des images haute résolution d’un engrenage en plastique, réduisant le temps de balayage de plus de 10 heures à environ 5 heures grâce à la technique de “compressed sensing” (CS). Dans les expériences d’analyse des carottes pétrolières, l’équipe a utilisé des séquences d’inversion-récupération (IR) et Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) pour obtenir avec succès des spectres bidimensionnels T1-T2 des carottes, fournissant des analyses détaillées pour les processus d’extraction et de préparation du pétrole.

Conclusion et signification

Le principal apport de cette recherche réside dans la conception et le test réussis d’un système IRM 3.0 T sans hélium liquide, léger et performant, qui montre d’excellentes capacités d’imagerie et de stabilité dans les domaines de l’imagerie animale et de l’analyse des matériaux. En optimisant l’uniformité et la stabilité du champ magnétique, en développant des bobines de gradient et RF avancées, ainsi qu’une console IRM maison, l’équipe a résolu avec succès les défis techniques des systèmes IRM sans hélium liquide dans des conditions de champ élevé. Ce système réduit non seulement les coûts de fonctionnement et de maintenance des systèmes IRM, mais ouvre également de nouvelles perspectives pour des applications variées en recherche cérébrale, caractérisation des matériaux et inspection industrielle.

Points forts de la recherche

1. Optimisation de la stabilité du champ magnétique : Réduction de 99,81 % de l’amplitude des fluctuations du champ magnétique grâce à l’optimisation des chemins de transfert thermique et des techniques d’amortissement mécanique, améliorant considérablement la qualité de l’image.
2. Amélioration de l’uniformité du champ magnétique : Utilisation de techniques de shim passives et actives pour atteindre une uniformité de 4,18 ppm, répondant aux besoins de l’imagerie haute résolution.
3. Conception des bobines de gradient et RF : Les bobines de gradient double couche et la bobine RF orthogonale à cage d’oiseau limitent efficacement les champs magnétiques parasites et améliorent l’uniformité du champ RF.
4. Développement de la console IRM : Une console maison basée sur FPGA permet une génération efficace de formes d’onde RF et une compensation des gradients, augmentant encore les performances du système.
5. Valeur applicative : Les applications réussies du système dans l’imagerie cérébrale des petits animaux, la détection des défauts des engrenages en plastique et l’analyse des carottes pétrolières montrent son potentiel dans les domaines de la recherche et de l’industrie.

Autres informations utiles

L’équipe de recherche a également noté que ce système IRM sans hélium liquide fonctionne en continu depuis août 2023, montrant une excellente stabilité et fiabilité. Étant donné sa taille compacte et l’absence de besoin d’hélium liquide, ce système est particulièrement adapté à l’installation dans des espaces restreints ou dans des bâtiments à étages, réduisant davantage les coûts d’espace et d’installation des systèmes IRM. À l’avenir, l’équipe prévoit d’optimiser encore l’efficacité de balayage du système, notamment en améliorant le facteur d’accélération dans la technique de “compressed sensing”, afin d’améliorer encore la vitesse et la praticité de l’imagerie.

Grâce à cette recherche, la technologie IRM sans hélium liquide a franchi une étape importante dans son application en conditions de champ élevé, offrant de nouvelles solutions pour la popularisation et la promotion de la technologie IRM.