L’imagerie des gaz rares par résonance magnétique nucléaire

Nuclear magnetic resonance (NMR) imaging of noble gases has the potential of becoming an important method for the medical diagnosis of pulmonary disease. Furthermore, the high solubility of xenon-129 in liquids might enable to use it as NMR tracer in the blood circuit. This report summarises the first steps undertaken in this laboratory concerning noble gas NMR imaging. The first part gives an overview of the properties and potential applications of noble gases in NMR imaging and spectroscopy. The second part is focused on hyperpolarisation of noble gases by means of optical pumping. The principles of the two currently used techniques are described. The design, assembly and optimisation of a xenon-129 optical pumping setup are presented as part of this work. The third part represents a theoretical approach to the optimisation of imaging sequences taking into account the properties of the noble gases. In particular, an entire chapter is dedicated to the influence of diffusion on the quality of images. Optimisation criteria for certain imaging techniques are elaborated and discussed. The last part summarises the results of in-vivo imaging experiments carried out on a rat lung. A specifically optimised pulse sequence is suggested and applied. A radiofrequency coil tuned on the helium-3 NMR frequency at 2.35 T was built. These developments have enabled to obtain the first thermal equilibrium-NMR images of helium-3 in the rat lung. Finally, a new technique for prepolarising helium-3 by cryogenic means has been realised in collaboration with the Centre de Recherche sur les Très Basses Températures in Grenoble. The technical setup as well as a first application of this method to NMR imaging of the rat lung are described.L’imagerie des gaz rares par résonance magnétique nucléaire (RMN) possède le potentiel pour devenir une technique importante de diagnostic médical de maladies pulmonaires. Grâcesa bonne solubilité, le xénon-129 pourrait par ailleurs servir comme traceur RMN danscirculation sanguine. Ce document regroupe les premiers travaux réalisés au laboratoire sur le sujet de la RMN des gaz rares. La première partie du travail donne une vue générale sur les propriétés et les applications potentielles des gaz rares hélium-3 et xénon-129 en imagerie et spectroscopie RMN bioclinique. La deuxième partie est consacrée à l’hyperpolarisation des gaz rares par pompage optique. Les principes des deux approches actuellement utilisées sont exposés. Le montage et l’optimisation d’un dispositif de pompage optique du xénon-129, effectués dans le cadre de ce travail, sont décrits. La troisième partie constitue une approche théorique d’optimisation de séquences d’imagerie adaptées aux propriétés des gaz rares. En particulier, un chapitre entier est dédié à l’influence de la diffusion du gaz sur la qualité des images. Des critères d’optimisation de certaines techniques sont élaborés et discutés. La dernière partie regroupe un ensemble de résultats expérimentaux obtenus in-vivo sur le poumon de rat. Une séquence d’imagerie spécifiquement optimisée pour l’imagerie pulmonaire de l’hélium-3 est suggérée. Une antenne radiofréquence adaptée à la fréquence d’hélium-3 à 2,35 T a été construite. L’ensemble de ces développements a permis l’obtention des premières images RMN de l’hélium-3 à l’équilibre thermodynamique dans les poumons d’un rat. Finalement, une nouvelle approche de prépolarisation de l’hélium-3 par des moyens cryogéniques a été réalisée en collaboration avec le Centre de Recherche sur les Très Basses Températures du CNRS à Grenoble. Le dispositif technique ainsi qu’une première application de cette méthodel’imagerie RMN pulmonaire chez le rat sont décrits