Comme l’illustre ce premier chapitre, l’imagerie moléculaire est un domaine hautement pluridisciplinaire. En IRM, un gain en sensibilité de détection est nécessaire pour permettre d’ouvrir le champ de l’imagerie moléculaire. Dans ce contexte une optimisation des différents outils utilisés doit être conduite, en particulier l’optimisation des choix méthodologiques est nécessaire pour révéler tout le potentiel de la technique d’IRM.
Dans ce travail de thèse nous nous sommes attachés à développer des outils en vue d’une stratégie d’augmentation de la sensibilité de détection. L’aspect complémentaire des travaux de recherches antérieurs réalisés à l’Unité de Recherche en Résonance Magnétique Médicale, orientés sur l’instrumentation à haute sensibilité, et des besoins de l’imagerie moléculaire explorée par la société Guerbet a permis d’adopter une approche transversale pour répondre à cette problématique, en s’intéressant à l’optimisation globale de la détection des AC.
Deux questions principales sont posées. La première qui est d’un aspect fondamentale pour l’étude des AC paramagnétiques de façon générale, s’intéresse au champ magnétique optimal (s’il existe !) pour l’étude d’un AC de propriétés relaxométriques connues. Nous avons utilisé les différents modèles décrits dans ce chapitre pour étudier le contraste image final obtenu en terme de RCB qui est le paramètre pertinent pour la détectabilité des AC. Cette étude doit permettre de choisir l’intensité de champ appropriée à l’étude d’un certain produit et de guider les développements technologiques nécessaires à une meilleure détectabilité.
Le second volet traite de l’utilisation d’antennes miniatures en matériau supraconducteur refroidi pour obtenir un gain important de sensibilité sur de petits volumes périphériques (typiquement 1cm3). Dans le cadre d’applications de l’imagerie moléculaire sur des modèles animaux de petite taille, cette technologie est particulièrement attrayante et devrait permettre de repousser la limite de détectabilité des faibles concentrations d’AC. L’utilisation de ces antennes est cependant complexe, et nécessite des développements spécifiques pour atteindre la robustesse conférée par les antennes conventionnelles. Une importante partie de ce travail concerne donc la mise en œuvre des antennes supraconductrice de façon optimale sur un appareil d’imagerie. Enfin, deux études de ciblage spécifique in vivo ont été conduites pour mettre en évidence la spécificité de produits de contraste de nouvelle génération.
II. Chapitre II :
État de l’art des antennes supraconductrices
miniatures pour l’imagerie biomédicale
L’idée de refroidir le détecteur pour réduire le bruit thermique de la chaîne d’acquisition pour les applications de la RMN est assez ancienne [29]. Cependant les premiers essais rapportés en spectroscopie [55,56] ou en imagerie [57] sont relativement récents en raison des grandes difficultés technologiques à surmonter pour pouvoir mettre en œuvre de telles applications. Dans ce contexte, la découverte des matériaux supraconducteurs à haute température critique (HTS pour High Temperature Superconductor) par Bednorz et Muller [58,59] en 1986, a stimulé les recherches en offrant d’excellentes performances électriques à des température cryogéniques relativement élevées, simplement obtenues à l’aide d’azote liquide. Il y a une dizaine d’années ces recherches ont abouti aux premières antennes HTS disponibles sur des spectromètres commerciaux, rapportant une amélioration de RSB typique d’un facteur 4 [60].
Dans le cas des applications d’imagerie biomédicale, l’efficacité du détecteur doit être analysée en comparaison avec les pertes provenant de l’échantillon lui-même [31]. Le bruit induit par l’échantillon est en général dominant, excepté pour les basses fréquences de résonances ou les petits échantillons. Cette différence tient au fait que les tissus biologiques sont conducteurs, et sont donc le siège d’une dissipation de puissance significative (cf. Chapitre I, p34). Dans ces conditions, l’intérêt d’optimiser le détecteur est lié à l’intensité des pertes provenant de l’échantillon lui-même, qui fixe un niveau de bruit source à ne pas dépasser. Deux approches complémentaires ont ainsi été envisagées : l’utilisation d’antennes supraconductrices sur des appareils corps entier à bas champ (<0,3T) [61] ou leur utilisation en microscopie par RMN sur des appareils haut champ(>3T) [62] pour des échantillons de petites tailles (typiquement <1cm), limitant ainsi les applications in vivo.
Plus récemment, l’implémentation d’antenne HTS pour l’imagerie in vivo sur des appareils à champ intermédiaire (~1-2 T) a permis d’étendre le champ des applications possibles en particulier pour le petit animal [63,64] et les régions périphériques telles que la peau chez l’homme [65]. Deux revues récentes, de Darrasse et al. [36] pour l’imagerie et Kovacs et
al.[66] pour la spectroscopie, traitent de l’impact des technologies d’antennes refroidies en RMN.
Le présent chapitre dresse une synthèse des avancées réalisées dans ce domaine. Des outils sont présentés afin d’analyser et de comprendre la portée de l’imagerie réalisée au moyen d’antenne HTS, dans le cadre d’applications sur des échantillons conducteurs tels que les tissus biologiques. En particulier, l’intérêt de la miniaturisation des antennes est présenté de façon quantitative afin de pouvoir choisir la taille et le type d’antenne adaptée à un échantillon et à une intensité de champ magnétique.
Le principe de base de la miniaturisation consiste à limiter la quantité de bruit de l’échantillon capté par l’antenne pour accroître le signal sur bruit intrinsèque de la région observée. Cela revient à exploiter le fait que le signal d’aimantation nucléaire capté par l’antenne est localisé (au moyen des gradients d’imagerie), alors que le bruit ne l’est pas puisque son origine thermique le distribue de façon homogène sur toutes les fréquences d’observation. Ainsi toute partie d’un échantillon conducteur située dans le champ de vue de l’antenne contribuera à augmenter les pertes globales du système. En spectroscopie, différentes approches ont été développées pour réduire le bruit provenant de l’échantillon, en utilisant notamment une solution tampon de faible conductivité ou de petits échantillons [66]. En imagerie, l’échantillon a une taille donnée et il ne peut en aucun cas être modifié : la miniaturisation du capteur s’impose pour accroître la sensibilité de détection.