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Métamatériaux pour l’IRM à ultra-haut champ.


Les équipes de physiciens de NeuroSpin, en collaboration avec les instituts Fresnel et Langevin ainsi que Multiwave Innovation et Siemens, ont récemment publié dans la prestigieuse Physics Review X leurs travaux sur les métamatériaux pour améliorer la qualité de l'imagerie par résonance magnétique ultra-haut champ. Le dispositif, décrit pour la première fois, permet d'envisager la production de nouvelles antennes IRM rendant la démocratisation possible des appareils ultra-haut champ pour des diagnostics médicaux plus rapides et plus précis.

Publié le 17 octobre 2018

Les métamatériaux sont des matériaux artificiels dotés de propriétés électromagnétiques hors du commun.  Ils tirent parti à la fois des propriétés intrinsèques des matériaux qui les constituent et de celles que leur confère leur arrangement dans l'espace. Ils sont capables, par exemple, de modifier la course des rayons lumineux. S'ils sont connus pour rendre réalisable le concept a priori fantaisiste d'invisibilité, ils intéressent aussi les chercheurs pour d'autres applications plus concrètes. Ainsi, ils pourraient permettre de lever un verrou technologique lié à l'IRM de demain.

En effet, l'IRM à haut champ utilise des ondes radiofréquences (RF) dont la fréquence de travail est plus importante que celle d'un IRM classique. Cette augmentation induit une inhomogénéité du champ RF conduisant à une perte du contraste dans l'image jusqu'à l'absence de signal dans les pires cas de figure. Les chercheurs de NeuroSpin, avec leurs collaborateurs de l'Institut Fresnel de Marseille, proposent de résoudre ce problème par une réelle innovation de rupture basée sur l'utilisation des métamatériaux.

Tout commence en 2011, lorsque Redha Abdeddaim, spécialiste des métamatériaux en électromagnétisme et Benoît Larrat, spécialiste d'IRM, partagent le même bureau à l'Institut Langevin à Paris. Ils réalisent le fort potentiel de l'ingénierie de champs magnétiques par les métamatériaux pour améliorer les antennes IRM. Ces métamatériaux sont en effet le siège de l'interaction de plusieurs modes électromagnétiques et permettent d'accéder à une diffusion extraordinaire des ondes RF. Des travaux sur un IRM à 7 Tesla (T) chez le petit animal démontrent ce potentiel. Un premier brevet est déposé. Redha et Benoît quittent la fameuse institution et rejoignent respectivement l'Institut Fresnel à Marseille et le CEA, à Saclay. La suite logique consiste à appliquer les mêmes concepts sur un IRM 7T de grand diamètre, pour l'humain, qui malheureusement révèle des limitations importantes. Avec l'aide d'Alexandre Vignaud et de Lisa Leroi, ils réalisent en 2015 à NeuroSpin des expériences prometteuses sur ce type d'appareil. Après plusieurs années de recherche, le concept de « méta-atomes ou métamatériaux » correcteurs de champ radiofréquence est décrit et mis en équation par Marc Dubois, ce qui fera l'objet d'un second brevet et de la présente publication.


Antenne IRM avec le métamatériau placé à droite (flèche rouge) d'un fantôme sphérique. Le métamatériau est constitué d'un agencement de tiges de cuivre ajoutées dans l'antenne qui règle le problème d'inhomogénéité des ondes RF localement.
Crédit: Zo Raolison © M-Cube/CEA NeuroSpin/Institut Fresnel


Ce travail a été réalisé dans le cadre du programme européen M-CUBE* (H2020), coordonné par l'institut Fresnel. Il fait suite à une amorce de collaboration soutenue par l'action Instrumentations & Innovations Technologiques de France Life Imaging. La technologie a été mise sous licence à Multiwave Technologies, une start-up marseillaise développant des solutions innovantes pour la médecine et bénéficie d'une aide à la valorisation par la SATT Sud-Est.

Ce travail a fait l'objet de plusieurs communications par l'institut Fresnel, l'INSIS du CNRS, la DRF du CEA et le CEA.

Contact chercheur : Alexandre Vignaud

*M-CUBE : Le FET-Open M-CUBE est un consortium européen regroupant 11 partenaires et financé depuis 2017 par le programme H2020 à hauteur de 3,9M€ afin de généraliser les concepts en IRM à différents types d'organes et d'applications à 7T ou plus. Ce projet vise à changer le paradigme des antennes des IRM à haut champ et à très haut champ pour offrir une meilleure vision du corps humain et permettre une détection précoce des maladies. L'objectif principal est d'aller au-delà des limites de l'imagerie clinique IRM et d'améliorer radicalement les résolutions spatiales et temporelles.




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