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Post-coiling recanalization of intracranial aneurysms is a recurrent problem in the field of interventional neuroradiology that limits the effectiveness of long-term treatment. De facto, endovascular treatment by coiling of an intracranial aneurysm is not only a question of filling a bulge with metal. Beyond the technical complexity of the operation itself, the biological phenomena induced by the treatment are to be taken into account in order to obtain optimal healing. Thrombus induced by the coils placed in the aneurysm is also an essential substrate for the healing of aneurysms after treatment, since it is a support for the recolonization of the aneurysm by mesenchymal cells.In this thesis we studied the biological phenomena and histopathological mechanism of healing involved in the endovascular treatment of intracranial aneurysms by coiling. Based on the observation that aneurysm healing is scarce with current devices, we propose an innovative approach to optimize the healing of aneurysms by fucoidan-coated coils. This sulfated polysaccharide is capable of interacting with growth factors necessary for healing and of promoting thrombus formation by binding to P-selectin overexpressed by activated platelets. The experimental work presented in this thesis is the result of a multidisciplinary collaboration involving chemists, biologists and interventional neuroradiologists.Funding was received from the Medical Research Foundation in October 2018 through a call for projects entitled, La recanalisation post-coiling des anévrismes intracrâniens est une problématique récurrente dans le domaine de la neuroradiologie interventionnelle qui limite l’efficacité du traitement à long terme. En effet, lors du traitement endovasculaire par coiling d’un anévrisme intracrânien il ne s’agit pas seulement de combler une poche avec du métal. Au-delà de la complexité technique du geste en soi, les phénomènes biologiques induits par le traitement sont à prendre en considération pour obtenir une cicatrisation optimale. Le thrombus induit par les coils implantés dans l’anévrisme est également un substrat essentiel à la cicatrisation des anévrismes après traitement, car il est un support à la recolonisation de l’anévrisme par des cellules mésenchymateuses.Nous avons étudié dans cette thèse les phénomènes biologiques et les mécanismes histopathologiques de la cicatrisation anévrismale impliqués dans le traitement endovasculaire des anévrismes intracrâniens par coiling. A partir du constat d’un défaut de cicatrisation avec les dispositifs actuels, nous proposons une approche innovante visant à optimiser la cicatrisation des anévrismes par les coils recouverts de fucoïdane. Ce polysaccharide sulfaté est capable d'une part d’interagir avec les facteurs de croissance nécessaires à la cicatrisation et, d'autre part, de favoriser la formation d'un thrombus en se liant à la P-sélectine surexprimée par les plaquettes activées. Les travaux expérimentaux présentés dans cette thèse sont issus d’une collaboration pluridisciplinaire associant chimistes, biologistes et neuroradiologues interventionnels.Un financement a été obtenu de la Fondation pour la Recherche Médicale en octobre 2018 dans le cadre de l’appel à projet “Pionniers de la Recherche – Chimie pour la médecine“.L’aboutissement de ce travail est la naissance d’un nouveau type de coils biologiquement actifs pour prévenir la recanalisation des anévrismes intracrâniens évalués grâce à des techniques d’imagerie conventionnelle et de microscopie avancée. Les résultats obtenus ont permis de déposer un brevet européen. Ces travaux nécessitent d’être confirmés par de nouvelles expérimentations dans un échantillon plus large d’animaux ainsi que l’analyse in vitro de la relation dose-effet potentielle. L'ensemble de ces travaux ne seront publiés qu'après la période de confidentialité nécessaire à l'évaluation du brevet dont la valorisation est en cours.

The genesis of an intracranial aneurysm is not only due to a mechanical effect but to a set of biological elements. Among them, intra-aneurysmal thrombus plays a major role, as it is the site of activation of many metalloproteinases and an important site of proteolysis. However, the thrombus of the aneurysmal sac is also crucial for the healing of the aneurysm after endovascular treatment, because it serves as a support for the recolonization of the aneurysm by mesenchymal cells. In the various works presented in this thesis, we analyzed some of the biological phenomena involved in the success or failure of endovascular treatments. The presented works are based on experiments in the elastase aneurysm model in the rabbit and treated with coils, flow-diverters or intra-saccular devices. This work enables to better understand the biological mechanisms involved in the various endovascular treatments. The analysis of these phenomena is essential to understand the causes of failure, but also to develop new biologically active devices for the treatment of intracranial aneurysms. We propose the development of biologically active flow-diverter stents. We also propose three different approaches of endovascular cell therapy, using autologous mesenchymal stem cells, allowing recolonization of the intra-aneurysmal thrombus and accelerated healing of the aneurysm. The treatment of intracranial aneurysms can no longer be based solely on mechanical considerations. The development of future endovascular devices should include a biological dimension to improve the complete healing of intracranial aneurysms, La genèse d’un anévrysme intracrânien n’est pas uniquement due à un effet mécanique mais à un ensemble d’éléments biologiques. Parmi eux, le thrombus intra-anévrysmal a un rôle majeur car il est le site d’activation de nombreuses métalloprotéinases et d’une protéolyse importante. Cependant, le thrombus du sac anévrysmal est également un substrat indispensable à la cicatrisation des anévrysmes après traitement endovasculaire car il sert de support à la recolonisation de l’anévrysme par des cellules mésenchymateuses. Dans les différents travaux présentés dans cette thèse, nous avons pu analyser une partie des phénomènes biologiques impliqués dans le succès ou l’échec des traitements endovasculaires. Les travaux présentés sont basés sur des expérimentations dans le modèle d’anévrysme à l’élastase chez le lapin et traités par coils, flow-diverters ou dispositifs intra-sacculaires (WEB). Ces travaux permettent de mieux comprendre les mécanismes biologiques mis en jeu par les différents traitements endovasculaires. L’analyse de ces phénomènes est indispensable pour comprendre les causes d’échec, mais aussi afin de développer de nouveaux outils biologiquement actifs pour le traitement des anévrysmes intracrâniens. Nous proposons ainsi le développement de stents flow-diverters biologiquement actifs. Nous proposons également trois approches différentes de thérapie cellulaire par voie endovasculaire, utilisant des cellules souches mésenchymateuses autologues, permettant une recolonisation du thrombus intraanévrysmal et une cicatrisation accélérée de l’anévrysme. Au total, le traitement des anévrysmes intracrâniens ne peut plus être basé uniquement sur des considérations mécaniques. Le développement des futurs dispositifs endovasculaires devra inclure une dimension biologique pour optimiser la cicatrisation complète des anévrysmes intracrâniens.

Augmented electromagnetic accelerators are advanced mass accelerators which are using an additional magnetic field to support the launching process. In conventional electromagnetic accelerators the electrical current through the rails and the armature has to be very large in order to achieve a sufficiently high electromagnetic force which accelerates the projectile. Due to magnetic flux diffusion effects, the electrical current is concentrated on the back of the armature, resulting in high current concentration and therefore heat generation. Together with the sliding contact between the armature and the rails, abrasive wear of the materials can occur and cause a transition from the solid contact to a plasma contact, which further increases the temperature and the wear of the rail/armature interface. To decrease the electrical current through the armature without decreasing the accelerating force on the projectile, an additional energy input mechanism has to be implemented, realized by an additional magnetic field, augmenting the magnetic field generated by the current through the main rails. This paper gives an insight to first achievements with the modular augmented staged electromagnetic launcher (MASEL), describes the experimental setup and compares the experimental results with simulations.

High resolution magnetic resonance imaging (MRI) of small animals requires generally higher static magnetic field (up to 20 T) than those used for clinical applications (1,5 and 3 T) in order to reach a satisfactory signal to noise ratio (SNR). An alternative can be the use of miniature surface coils made of high temperature superconducting (HTS) material. However, several issues remain with such coils and limit their use at a large scale. In this work we present the theoretical and experimental development of a miniature HTS surface coil dedicated to mouse brain imaging at 4.7 T.The first chapter presents 3D electromagnetic simulations to design monolithic self-resonant structures with very high quality factors (≈105) using a commercial software (CST-Microwave Studio). In contrast to an analytical model, a numerical model allows to handle the complex geometry of the coil and its cryogenic environment, which may influence notably the radiofrequency characteristics of the coil.The second chapter presents a study of the coupled effects of the static magnetic field B0 (from 0 to 4,7 T) and temperature (from 66 to 80 K) on the electrical properties of a HTS coil in the frequency range involved in MRI, for which HTS properties have been poorly studied. This study shows that deleterious effects of B0 on coil sensitivity can be partially compensated by a moderate decrease of its working temperature. An original cryogenic system was designed to enable temperature regulation avoiding the use of more complex systems that limit the use of HTS coils for MRI experiments.The third chapter presents MRI results obtained at 4.7 T using a small HTS surface coil. The 6 mm coil has been optimized for best SNR performances and in order to be integrated in a 4-element coil array in a future refinement. A 4.5 fold SNR enhancement as compared to the one achieved using a copper coil with the same geometry was demonstrated. This work provides the first in-vivo imaging of a mouse brain using a HTS coil at a B0 value higher than 3 T. Arrays made of such coils will allow to perform very high resolution imaging of the complete mouse brain at 4.7 T with SNR values that are comparable to those achieved at the highest B0 fields accessible today., En IRM haute résolution du petit animal, un rapport signal sur bruit (RSB) convenable demande habituellement l'utilisation d'un champ magnétique statique beaucoup plus élevé, (jusqu'à 20 T) que pour les applications cliniques quotidiennes (1,5 et 3 T). Une alternative est offerte avec le développement récent d’antennes miniatures en matériau supraconducteur à haute température critique (HTS). Cependant de nombreux problèmes liés à ce type d'antennes subsistent et limitent leur diffusion à grande échelle. Le présent manuscrit présente le développement théorique et expérimental d'une antenne de surface HTS de très petite dimension destinée à l’imagerie du cerveau de souris in vivo à 4,7 T.La première partie traite de la modélisation électromagnétique 3D, à l’aide d’un logiciel commercial (CST-Microwave Studio), de structures monolithiques auto-résonantes adaptées à l'obtention de facteurs de qualité extrêmement élevés (105). Le modèle numérique permet, par rapport à un modèle analytique approché, une meilleure prise en compte de la complexité géométrique de l’antenne et de son environnement cryogénique proche, dont les effets sur les caractéristiques radiofréquences de l’antenne sont considérables.Une deuxième partie présente l'étude des effets du champ statique (de 0 à 4,7 T) et de la température (de 65 à 83 K) sur les caractéristiques électriques d’une antenne HTS, dans le domaine de fréquences de l'IRM pour lequel les propriétés des supraconducteurs ont été peu étudiées jusqu'ici. L'étude montre que les effets délétères du champ sur la sensibilité de l’antenne sont partiellement compensés par une diminution modérée de sa température de fonctionnement. Cette diminution est accessible avec un dispositif original de contrôle de température qui évite de faire appel à un système cryogénique complexe limitant le domaine d’application des antennes HTS.La troisième partie présente les résultats obtenus en imagerie à 4,7 T avec une antenne de surface en matériau HTS dont la taille (diamètre de 6 mm) a été optimisée pour obtenir les meilleures performances en RSB, en vue d'une intégration dans un réseau de 4 antennes. Un RSB 4,5 fois supérieur à celui obtenu avec une antenne en cuivre de même géométrie a été démontré sur fantôme. Ce travail aboutit à la réalisation de la première image de cerveau de souris in-vivo à une valeur de champ supérieure à 3 T avec une antenne HTS. La mise en réseau d'antennes de ce type devrait permettre de couvrir le cerveau de souris complet en imagerie très haute résolution à 4,7 T, avec un RSB comparable à celui qui est accessible aujourd'hui à la limite supérieure de champ magnétique.

Dans certains bobinages supraconducteurs produisant des champs magnétiques élevés, les énergies magnétiques mises en jeu sont assez importantes pour détériorer quelquefois ces bobinages lors d'une transition. Pour un ensemble de deux aimants supraconducteurs couplés électromagnétiquement, les auteurs décrivent un procédé simple permettant d'éviter toute détérioration par échauffement lors d'un rétablissement de l'état normal.

Un champ pulsé est défini par le champ crête B0, l'énergie magnétique W et le rayon intérieur a1 des bobines. Nous proposons un ensemble de formules qui, pour chaque couple w = W/2,5 a31 B20 et Γ = diamètre extérieur/longueur des bobines, donnent : l'« épaisseur » de chaque bobine, leur constante de temps, l'homogénéïté du champ magnétique, la température du bobinage à la fin d'une impulsion crowbar. Nous montrons, que pour chaque champ pulsé, c'est dans la bobine Γ = 1,36, que les contraintes magnétiques de coeur sont minimales. Nous analysons le rendement magnétique en prenant en compte l'échauffement adiabatique du bobinage. A chaque étape du texte, apparaît l'intérêt des bobines très épaisses.

L'aimant toroïdal de TORE SUPRA se compose de 18 bobines, chacune d'entre elles étant constituée d'un bobinage supraconducteur enfermé dans un boîtier épais en acier inoxydable destiné à supporter les efforts électromagnétiques. Le bobinage supraconducteur est refroidi par un bain d'hélium superfluide à 1,8 K ; le boîtier épais est refroidi par une circulation d'hélium supercritique à 4,2 K. Le système de calage entre bobinage et boîtier épais assure à la fois l'isolation thermique entre 1,8 K et 4,2 K et la transmission des efforts du bobinage au boîtier. Pour répondre à ces deux impératifs il s'est avéré nécessaire de développer un matériau nouveau : le polyimide-alumine. Le programme de développement a abouti à la mise au point d'une production industrielle de ce matériau, ce qui a permis la réalisation de l'aimant conformément aux spécifications.

Le comportement électromagnétique des composites multifilamentaires est compliqué par les raisons suivantes : - Les filaments supraconducteurs n'étant pas isolés, des boucles de courant de circulation se referment entre filaments à travers le métal de la matrice à l'intérieur d'un demi-pas de torsade. Les pertes dues à ces courants sont évaluées dans le cas où le composite ne transporte pas de courant. - L'opération de torsadage ne constitue pas une transposition parfaite des filaments par rapport au champ magnétique propre au composite. Les effets du champ propre sur la distribution du courant dans le composite et les pertes électriques sont indiqués. - Par suite de leur torsadage les filaments ne sont pas partout orthogonaux au champ magnétique. Les résultats expérimentaux concernant la dégradation et les pertes de petites bobines réalisées à l'aide de plusieurs composites multifilamentaires sont résumés.

L'utilisation des bobines étant devenue de plus en plus fréquente, nous avons pensé qu'il serait utile de communiquer certains sous-programmes écrits en langage Fortran. Ils permettent de calculer le champ magnétique créé par une bobine circulaire épaisse (BOB) ou par une bobine circulaire mince (BOB2) ou encore par un cadre mince rectangulaire (HCADRE). Deux autres sous-programmes calculent le flux magnétique créé par un aimant élémentaire et traversant un cadre rectangulaire mince (FLUXA et FLUXB). En outre figurent également trois sous-programmes de service : calcul des intégrales définies par la méthode du pas variable automatique (INTEGR), calcul des intégrales elliptiques complètes de première et deuxième espèce (ECF et ECE). Pour chaque sous-programme, nous donnons le mode d'emploi, ainsi que la formulation algèbrique dont il est la traduction.

Nous avons examiné théoriquement les diverses méthodes d'obtention d'un champ magnétique uniforme avec une précision donnée, en vue de compenser le champ magnétique terrestre dans un volume dont les trois dimensions sont du même ordre de grandeur. Il apparaît nécessaire, pour juger et comparer ces différentes méthodes, de tenir compte de la composante résiduelle du champ qui apparaît dès que l'on se place hors du plan de symétrie. On peut alors caractériser chaque méthode par un coefficient d'efficacité, fonction de la précision obtenue sur l'homogénéité du champ.