Le Département d'Électronique des Détecteurs et d'Informatique pour la Physique

Le projet Iseult dévoile ses premières images de cerveau obtenues grâce à l’IRM à 11,7 teslas, après presque 25 ans de travail. Une première mondiale rendue possible grâce à l’investissement de plus de 200 salariés CEA qui y ont cru dès les premiers instants à ce projet extrêmement ambitieux.

Au début des années 2000, un projet franco-allemand est lancé pour développer l’imagerie à très haute résolution. L’un des objectifs est de construire un imageur dont la pièce maitresse est un aimant supraconducteur atteignant 11,7 teslas avec une ouverture de 900 mm, mais aucun fabricant d’IRM ne veut se lancer seul dans cette folle aventure. Fort de son expérience et de ses compétences dans les aimants supraconducteurs acquises depuis 40 ans (notamment pour le Cern ou la fusion), le CEA décide de relever le défi et propose dès 2006 un premier design avec des solutions technologiques innovantes, avant de fabriquer et tester de nombreux prototypes et finalement débuter la fabrication de l’aimant en 2010. Il faudra 7 ans pour que les équipes du CEA et d’Alstom (maintenant General Electric) finalisent la construction de cet aimant hors norme, un colosse de 132 tonnes, 5 mètres de long, 5 mètres de diamètre, composé de 182 km de fils supraconducteurs refroidis à -271,35°C grâce à 7 500 litres d’hélium à l’état superfluide.

JT-60SA, le plus grand tokamak au Japon, a été mis en fonctionnement le 1er décembre.

Les départements du DACM et du DIS de l'Irfu, sont des acteurs clés de ce projet qui a duré 10 ans, à travers leurs contributions sur les aimants supraconducteurs et les structures mécaniques pour les assembler en tokamak.

Walid ABDEL MAKSOUD, ancien chef de projet du projet JT60-SA pour les aimants témoigne:

« Ce premier plasma représente aujourd’hui l’aboutissement d’une aventure scientifique extraordinaire ayant duré plus de 10 ans.  L’ensemble des équipes de l’Irfu ayant participé au projet JT-60SA sont très fières d’avoir contribuer à ce magnifique succès. En effet, les tests cryogéniques réalisés à Saclay ont d’abord permis de qualifier le fonctionnement nominal des 18 bobines TF à 25.7 kA et 5 K. Une fois testées, le pré-assemblage de leurs structures mécaniques (OIS) réalisé par nos équipes techniques avec d’excellentes tolérances a permis à QST d’assembler les 18 bobines TF dans le Tokamak avec succès »

Gaël Disset, ancien chef de projet du projet JT60-SA pour la partie mecanique témoigne:

« Au bout de plus de 10 ans d’une extraordinaire aventure, toutes les équipes de l’Irfu ayant contribué au projet JT-60SA sont très fières de voir ce premier plasma ! Les structures mécaniques tiennent bon et les bobines EF atteignent les performances qu’elles avaient atteintes lors des tests à Saclay ! »

La mise en exploitation de l’IRM 11,7 T Iseult en 2021 a couronné près de 20 ans de recherche et développement du CEA. Dans un article publié dans le journal Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medecine, Nicolas Boulant et Lionel Quettier, chefs du projet Iseult pour les instituts Joliot et Irfu du CEA, passent en revue les détails de cette mise en service.

La collaboration ScanPyramids vient de publier (Nature communication) plusieurs images d’une pièce dont l’existence avait été démontrée en 2016 près de la face Nord de la pyramide de Kheops. L’exploration endoscopique de cette pièce a été rendue possible grâce à des mesures en imagerie muonique réalisées conjointement par une équipe des laboratoires de l'Irfu et de l’Université de Nagoya. Ces mesures ont en effet permis de localiser cette cavité avec une précision quasi-centimétrique, et révèlent l’extraordinaire potentiel de la muographie haute définition.

Ces travaux établissent que ce vide, baptisé initialement le NFC (pour North Face Corridor) est une pièce de 9,5 m de long et d’une section moyenne de 2 m x 2 m, avec un plafond en chevrons taillés. L’analyse muographique révèle également que cette chambre, très habilement cachée derrière un chevron extérieur, ne communique pas directement avec le Big Void découvert en 2017.

Cette cavité de près de 40 m³ est en tout cas la plus grande mise à jour dans la pyramide de Kheops depuis plus de 1000 ans. 

Une équipe NeuroSpin a développé une méthode pour maximiser la correction des inhomogénéités du champ magnétique statique des IRM haut champ et a conçu un prototype, le fourreau de shim Scotch, pour la mettre en œuvre. Dans un article publié dans NeuroImage, l’équipe montre que Scotch remplit son rôle avec une précision inégalée.

Depuis le dévoilement des premières images acquises avec l’IRM 11,7 T installé à NeuroSpin à l’automne 2021, le travail des équipes du CEA-Irfu et du CEA-Joliot s’est poursuivi et s’est notamment concentré sur le développement et la validation expérimentale de leur antenne “home made” dédiée à cet imageur exceptionnel. Car, bien que spectaculaires, les images de potimarron n’étaient pas optimales, acquises avec une simple antenne de validation des équipements. Ce développement constitue une nouvelle prouesse technologique des équipes pour transformer l’aimant hors norme en imageur IRM humain corps entier le plus puissant au monde. Explications avec Alexis Amadon (CEA-Joliot) et Michel Luong (CEA-Irfu).  

Depuis que l’aimant principal de l’appareil IRM du projet Iseult a pris place dans son arche de Neuropsin en 2017, 4 ans ont été nécessaires pour le transformer en l’aimant le plus puissant, le plus autonome reposant sur un système de haute disponibilité lui permettant de fonctionner pendant 10 ans !

En 2018, pour son 1er refroidissement, il a fallu 14 semaines pour passer de la température ambiante à sa température nominale de 1,8K. Depuis mars 2019, l’aimant est à 1,8K sans interruption de service. L’autre record est sa montée en courant pour atteindre le champ magnétique nominal de 11,7 T : il ne faut plus que 5h comparé à plusieurs jours pour des aimants IRM des hôpitaux.

Ses records sont les fruits du travail de plusieurs années des équipes de l’Irfu en charge de l’aimant, de l’usine cryogénique et de la surveillance de tous les équipements nécessaires à son fonctionnement.

En juillet 2021, les experts de Siemens ont mis en service l’IRM et un premier signal a été obtenu prouvant la fonctionnalité de l’appareil IRM (aimant principal avec sa bobine de gradient). Il reste encore du travail pour les équipes de Siemens accompagnées de celles de l’Irfu et de Joliot pour obtenir la qualité d’image attendue, mais l’aimant principal au cœur de l’appareil IRM, avec une homogénéité spatiale (11,72 ± 0,00000293 teslas) et temporelle (24h/24h) est pleinement opérationnel.

Dans le cadre d'un projet collaboratif entre la DES/DDSD et la DRF/Irfu, une étude de faisabilité du potentiel de la muographie pour l'auscultation des réacteurs nucléaires a été initiée en 2017. Après une première phase d'évaluation réalisée par l’Irfu au moyen de modélisations numériques, des premières prises de données ont été réalisées sur le bloc réacteur G2, situé au CEA Marcoule et arrêté au début des années 80, à partir de février 2020. Ces mesures ont permis de démontrer le potentiel de la technique, en identifiant des différences entre la structure réelle du réacteur G2 et le modèle 3D créé à partir des plans originaux de l'installation. Ces premiers résultats démontrent l'intérêt de l'utilisation de la muographie dans l'assainissement et le démantèlement des installations nucléaires, une des priorités actuelles du CEA. Pour la suite du projet il est envisagé de réaliser une tomographie 3D du réacteur en combinant des images prises à différentes positions. Il pourrait alors s’agir de la première image 3D de l'intérieur d'un réacteur en démantèlement, sans avoir recours aux rayonnements ionisants artificiels, ajoutant ainsi un nouvel outil d’inspection à la palette existante.

Pour que les images produites par le futur IRM ne subissent des déformations ou d'artefacts, le champ magnétique généré par l'aimant Iseult doit être homogène à 0,5 PPM (parties par millions) autour du cerveau du patient. Pour répondre à ce challenge, il a fallu prévoir des moyens de « réglage » (en anglais « shimming » – calage) du champ afin de corriger tous les petits défauts qui découlent inévitablement de la fabrication. 5904 pièces de shim (petites pastilles de fer) ont ainsi été vissées sur leurs rails et installées à l'intérieur du tunnel de l'aimant. Cette première configuration a été testée le jeudi 9 Juillet 2020 en cartographiant son effet sur le champ magnétique d’Iseult à 3 T. Les résultats sont très encourageants car la première itération a permis de faire passer l’homogénéité du champ dans la zone utile de 138,8 PPM à 3,2 PPM (valeur extrapolée à 11,72 T à partir des mesures magnétiques à 3T).

L’aimant du projet Iseult, en installation à Neurospin (CEA Paris Saclay), a atteint son champ nominal de 11,7 teslas (T) le 18 juillet 2019. Il s’agit d’un record mondial pour un aimant IRM humain corps entier, qui vient couronner des années de R&D, à la pointe de l’innovation dans le domaine des aimants supraconducteurs. Au cours des prochains mois, les équipements nécessaires pour réaliser les images cérébrales seront installés autour de l’aimant ainsi que dans son tunnel central, pour en faire un scanner IRM humain capable de sonder le cerveau à des précisions jamais atteintes, au bénéfice de la recherche fondamentale, des sciences cognitives et du diagnostic des maladies neuro-dégénératives.

Dans sa version la plus courante, l’imagerie muonique est une technique intrinsèquement 2D : en effet les densités mesurées sont intégrées le long de la direction d’observation de l’instrument. En principe, une cartographie 3D peut tout de même être obtenue en combinant plusieurs projections, comme en imagerie médicale. Mais dans le cas de la muographie, le nombre de projections disponibles est généralement très réduit, à cause du temps d’acquisition nécessaire à chaque image. Un algorithme d’imagerie 3D vient d’être utilisé avec succès sur le télescope à muons TomoMu, dans le cadre d’une collaboration entre l’Université de Florence et l’Irfu. La structure 3D d’un objet test a été reconstruite avec seulement 3 prises de vue, grâce notamment à l’excellente résolution de l’instrument. Cette avancée très importante permet maintenant d’envisager l’étude de structures plus complexes, avec des applications variées depuis l’étude de réacteurs nucléaires en phase de démantèlement jusqu’à l’exploration des sols.

Au cœur des dernières innovations pour la détection de particules, l’Irfu a développé des télescopes à muons très performants réalisant des cartographies 2D en densité (ou « muographies ») d’une précision remarquable. Equivalent à un télescope optique qui permet de voir la matière éclairée par la lumière visible, un télescope à muons permet de sonder  l’intérieur de grandes structures denses grâce à ces particules élémentaires qui nous arrivent naturellement de l’atmosphère.  En juin 2016, une équipe de l’Irfu rejoint la mission ScanPyramids  en déployant  trois télescopes à muons autour de la pyramide de Kheops. Ils pointent alors vers l’arête Nord-Est de la pyramide, et plus précisément vers une encoche située à 150 m de distance où se cache une petite cavité d’environ 9m² déjà repérée par les égyptologues.  Le but de cette campagne de mesure est de valider les performances des télescopes en détectant cette cavité cachée 5 m sous l’arête et invisible depuis le sol.