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Systematic Analysis of the Improvements in Magnetic Resonance Microscopy with Ferroelectric Composite Ceramics

La microscopie par résonance magnétique offre la possibilité d’imager des échantillons de quelques millimètres avec une résolution sub-micrométrique. Nous avons mis au point un nouveau type de sonde en matériau céramique permettant de réaliser des images avec des résolutions deux fois supérieures à celles obtenues avec des antennes classiques.

En microscopie par résonance magnétique (MRM), un domaine qui s’intéresse à l’imagerie d’échantillons de taille typique quelques millimètres, la sonde de référence pour produire une image est le solénoïde. Alimenté par un courant électrique, celui-ci produit un champ magnétique nécessaire à l’imagerie. Ce faisant, un champ électrique est également généré dans l’échantillon biologique, généralement doté d’une conductivité électrique non nulle, ce qui induit des pertes diélectriques, et par suite constitue une source de bruit. A durée d’acquisition fixée, ce phénomène limite intrinsèquement le rapport signal à bruit (RSB), et donc la résolution atteignable.
Dans ce contexte, plusieurs travaux de recherche ont évoqué et démontré le potentiel des sondes céramiques permettant de contourner cette limite à différentes intensités de champ magnétique statique B0. Le principe de ces sondes consiste à exploiter le premier mode transverse électrique d’un résonateur diélectrique de forme annulaire, excité à l’aide d’une simple boucle de courant. Ce mode a la particularité d’offrir un champ magnétique axial, similaire à celui de la sonde de référence, associé à un champ électrique négligeable.
Les propriétés de ce résonateur sont choisies afin que le mode d’intérêt résonne à une fréquence proche de celle de Larmor à l’intensité de champ statique considérée. A 17 T, le résonateur étudié devait être constitué d’une céramique de permittivité 530, tout en assurant un faible niveau de pertes au sein du matériau afin de ne pas ajouter de bruit lors de l’acquisition. Ces contraintes - haute permittivité et faibles pertes - ont pu être nuancées grâce à l’élaboration d’un nouveau matériau céramique ferroélectrique avec inclusions de magnésium.
Un modèle semi-analytique a été mis au point afin de proposer une estimation du RSB. Ceci a permis de comparer les performances de la sonde céramique avec la bobine de solénoïde de façon paramétrique en fonction des propriétés électromagnétiques du matériau ferroélectrique et de l’échantillon. Les simulations numériques ont permis de valider cette approche dans la configuration étudiée, également mise en pratique pour l’imagerie à 17 T d’un échantillon de houx.
Les mesures expérimentales ont confirmé les prédictions des études théorique et numérique, à savoir un gain en RSB de 2 de la sonde céramique sur la bobine de solénoïde. Ceci s’explique par l’interaction entre le champ électrique et l’échantillon, limitée dans le cas de la sonde céramique par la remarquable propriété du champ électrique d’être localement faible dans cette région.
Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle approche de développement des sondes de microscopie. La possibilité d’élaborer sur mesure les céramiques ferroélectriques permettent d’envisager un design optimisé de ces sondes. Pour un échantillon de dimensions et propriétés données, il serait possible de choisir entre la bobine de solénoïde ou une sonde céramique optimisée dans le but d’atteindre une résolution d’image la plus optimale possible.

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PARTENAIRES :
- CEA NEUROSPIN - Voir l’article publié sur le site internet du CEA Joliot Curie
- ITMO University

Référence : M. A.C. Moussu, L. Ciobanu, S. Kurdjumov, E. Nenasheva, B. Djemai, M. Dubois, A. Webb, S. Enoch, P. Belov, R. Abdeddaim, S. Glybovski, “Systematic Analysis of the Improvements in Magnetic Resonance Microscopy with Ferroelectric Composite Ceramics”, accepted for publication in Advanced Materials
Version of Record online : 17 May 2019

https://doi.org/10.1002/adma.201900912

Contacts :
Marine Moussu, Institut Fresnel - UMR7249, Marseille -
Luisa Ciobanu, CEA Neurospin, Gif-sur-Ivette
Stanislav Glybovski, ITMO University, Saint-Pétersbourg

SITE WEB : http://www.mcube-project.eu
TWITTER : @MCUBE19

This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement n°736937