28 mars 2018
SupraSense : Un dispositif cryogénique amagnétique pour la micro-IRM surfacique
SupraSense : Un dispositif cryogénique amagnétique pour la micro-IRM surfacique

Vue d'ensemble du dispositif de micro-IRM surfacique

Dans le cadre du programme de recherche SupraSense le Laboratoire Cryogénie et Stations d'Essais de l’Irfu-DACM a développé un cryostat autonome et amagnétique qui répond aux besoins d’installations IRM cliniques pour amener les résonateurs à leur température de fonctionnement de 60 K. Ce cryostat dont la structure est principalement réalisée en polymères est également innovant dans ce domaine pour être refroidi sans fluide cryogène.


Le programme SupraSense, porté par le laboratoire CNRS-IR4M, a pour but de développer la micro-imagerie surfacique par résonnance magnétique sur des imageurs conventionnels. Le laboratoire d’Imagerie par Résonance Magnétique Médicale et Multi-Modalités développe, à cet effet, les résonateurs en YbaCuO afin de réaliser des images locales à haute définition. Ces antennes supraconductrices sont utilisées en remplacement d’antennes traditionnelles en cuivre sur des équipements au SHFJ.
La micro-imagerie IRM permet la réalisation d'images à haute résolution dans un temps d'acquisition relativement restreint. Cette technique représente un défi important dans de nombreuses applications biomédicales de l'IRM pour évaluer des informations situées à l'échelle microscopique. Cela concerne également l'imagerie des petits animaux, largement utilisée pour étudier diverses pathologies humaines, le développement de la thérapie et l'évaluation des médicaments, puisque les structures à observer sont environ deux ordres de grandeur plus petits que ceux des humains.

 

 
SupraSense : Un dispositif cryogénique amagnétique pour la micro-IRM surfacique

Vue d’artiste du cryostat en polymères

Pour positionner les antennes à la position centrale de l’imageur, le cryostat doit être inséré dans le tunnel magnétique de ce dernier. C’est pourquoi l’enceinte à vide a été intégralement réalisée en polymères. Elle est composée de deux éléments, un plateau supérieur permettant d’accueillir l’élément à analyser, et un demi-cylindre placé sous le plateau intégrant les éléments cryogéniques.

Le cryostat s’installe sur le lit de l’IRM en lieu et place du patient.

Pour simplifier l’utilisation et assurer l’autonomie du système,  la source froide utilisée est un cryogénérateur de type pulse tube avec une motorisation déportée afin de l'éloigner du champ de fuite magnétique de l’imageur.

Ce type de source froide étant dépourvu de pièces mécaniques en mouvements, il permet de minimiser les vibrations qui sont néfastes  à la qualité des images.

 

 
SupraSense : Un dispositif cryogénique amagnétique pour la micro-IRM surfacique

Schéma du cheminement cryogénique

La zone utile refroidie est un disque en saphir de 150 mm qui permet d’accueillir de une à quatorze antennes en réseau.

La face supérieure du disque, isolée de l’atmosphère par un bouchon, est située entre 2 et 5 mm de la face extérieure du cryostat assurant ainsi la proximité entre la zone à analyser et les antennes.

Le disque de saphir est supporté par deux pièces en cuivre d'une conception complexe qui les rend thermiquement efficaces tout en limitant au maximum leurs effets à la fois sur l’imageur et les résonateurs.

La jonction entre ces supports et la source froide, séparés de 750 mm, est assurée par des drains en aluminium de très haute pureté. Le matériau a été préalablement validé sur imageur.

L’assemblage du système est réalisé en utilisant des matériaux plus amagnétiques tels que le laiton ou l'inox 316L.

 
SupraSense : Un dispositif cryogénique amagnétique pour la micro-IRM surfacique

Vue du cryostat avant et après intégration dans le tunnel.

 

Le cryostat a été implanté le 19 févier 2018 sur l’imageur Philips Achieva 1.5 T du SHFJ. Les premiers essais montrent que le système d’une masse approximative de 40 kg est bien compatible avec l’imageur et avec son environnement magnétique. Le système est tout d’abord préparé en laboratoire sur son chariot puis amené jusqu’à l’imageur. Le cryostat avec sa vanne motorisée est mis en place sur le lit alors que le compresseur reste sur le chariot stocké, dans un premier temps, dans la salle d’analyse (zone de champ magnétique faible).

La mise en froid des 5 kg d’éléments cryogéniques à 60 K se fait en 6h30. La température minimale atteinte est de 46 K sur le disque en saphir pour 43 K sur le cryogénérateur. La température est régulée au millikelvin près à 60 K.

Le design spécifique de la trappe d’accès aux résonateurs permet avec le seul flux d’air de l’imageur d’obtenir une température ambiante sur la zone d’analyse de 15.6°C.

Le vide tout d’abord réalisé en pompage dynamique est ensuite scellé. Le pompage cryogénique permet de maintenir pendant plus d’une heure un vide inférieur à 1.10-6 mbar.

Les essais des résonateurs réalisés hors champ magnétique en laboratoire ont permis de valider à la fois le design cryogénique et les antennes.

Le facteur de qualité obtenu au premier essai sur un résonateur HSTC de 12 mm de diamètre est de 15000 contre 100 pour une antenne de même diamètre en cuivre.

Les essais suivant ont validé la possibilité  de refroidir simultanément plusieurs résonateurs.

Possédant le premier cryostat IRM compatible de cette dimension, l’équipe va réaliser les premières images au SHFJ. Une seconde version de cet équipement est déjà envisagée. Il sera plus léger et intégrera de nouvelles techniques de refroidissement actuellement en cours de développement.

 

 
SupraSense : Un dispositif cryogénique amagnétique pour la micro-IRM surfacique

A : Courbes de descente en froid - B : Antenne HSTC installée dans la trappe d’accès - C : Panoramique de l'installation au SHFJ - D : Premiers résultats de mesure

Contacts CEA : Gilles AUTHELET et Bertrand BAUDOUY

Laboratoire de cryogénie et des stations d’essais (LCSE)

Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)

 

Maj : 09/04/2018 (4311)

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