Search

Non-invasive proton magnetic resonance imaging (1H MRI) is a powerful clinical tool for the detection of numerous diseases. Although MRI contrast agents are often used to improve diagnostic specificity, this technique has limited applications in molecular imaging because of its inherently low sensitivity when compared to nuclear medicine or fluorescence imaging. Laser-polarized 129Xe NMR spectroscopy is a promising tool to circumvent sensitivity limitations. Indeed, optical pumping increases the nuclear spin polarization of xenon by several orders of magnitude (104 to 105), thus small amounts of gas dissolved in biological tissues (blood, lungs...) can be rapidly detected with an excellent signal-to-noise ratio. In addition, the high polarizability of the xenon electron cloud, which induces a very high sensitivity to its environment, makes this nucleus very attractive for molecular imaging. Detection of biomolecules can be achieved by biosensors, which encapsulate xenon atoms in molecular cages that have been functionalized to bind the desired biological target. Cage molecules such as cryptophanes have high affinity for xenon and thus appear as ideal candidates for its encapsulation. During this PhD thesis we worked on the synthesis and the functionalization of new cryptophanes.; L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l'IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont constitués de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes.

The aim of this thesis work was to design, build and optimize a large volume multisamples DNP (Dynamic Nuclear Polarization) polarizer dedicated to Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging applications. The experimental system is made up of a high magnetic field magnet (3,35T) in which takes place a cryogenic system with a pumped bath of liquid helium (4He) allowing temperatures lower than 1,2K. A set of inserts is used for the different steps of DNP : irradiation of the sample by a microwave field (f=94GHz and P=50mW), polarization measurement by Nuclear Magnetic Resonance. . . With this system, up to three samples of 1mL volume can be polarized to a rate of few percents. The system has a long autonomy of four hours, so it can be used for polarizing molecules with a long time constant of polarization. Finally, the possibility to get quasisimultaneously, after dissolution, several samples with a high rate of polarization opens the way of new applications in biomedical imaging, Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale

The aim of this thesis work was to design, build and optimize a large volume multisamples DNP (Dynamic Nuclear Polarization) polarizer dedicated to Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging applications. The experimental system is made up of a high magnetic field magnet (3,35T) in which takes place a cryogenic system with a pumped bath of liquid helium (4He) allowing temperatures lower than 1,2K. A set of inserts is used for the different steps of DNP : irradiation of the sample by a microwave field (f=94GHz and P=50mW), polarization measurement by Nuclear Magnetic Resonance. . . With this system, up to three samples of 1mL volume can be polarized to a rate of few percents. The system has a long autonomy of four hours, so it can be used for polarizing molecules with a long time constant of polarization. Finally, the possibility to get quasisimultaneously, after dissolution, several samples with a high rate of polarization opens the way of new applications in biomedical imaging, Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He4) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale

The aim of this thesis work was to design, build and optimize a large volume multisamples DNP (Dynamic Nuclear Polarization) polarizer dedicated to Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging applications. The experimental system is made up of a high magnetic field magnet (3,35T) in which takes place a cryogenic system with a pumped bath of liquid helium ($^4$He) allowing temperatures lower than 1,2K. A set of inserts is used for the different steps of DNP: irradiation of the sample by a microwave field (f=94GHz and P=50mW), polarization measurement by Nuclear Magnetic Resonance. . . With this system, up to three samples of 1mL volume can be polarized to a rate of few percents. The system has a long autonomy of four hours, so it can be used for polarizing molecules with a long time constant of polarization. Finally, the possibility to get quasisimultaneously, after dissolution, several samples with a high rate of polarization opens the way of new applications in biomedical imaging.; Le travail de cette thèse a consisté à concevoir, réaliser et optimiser un montage expérimental de Polarisation Dynamique Nucléaire multi-échantillons pour des applications biomédicales en Imagerie Spectroscopique par Résonance Magnétique. Ce montage est constitué d'un aimant à fort champ magnétique (3,35T), dans lequel se place un système cryogénique à bain d'hélium (He$^4$) liquide pompé pouvant atteindre des températures inférieures à 1,2K. Un ensemble d'inserts permet d'effectuer les différentes étapes du processus PDN dont l'irradiation des échantillons par un champ micro-onde (f=94GHz et P=50mW) et le suivi de leur polarisation par Résonance Magnétique Nucléaire. Ce système permet de polariser jusqu'à trois échantillons, de volume proche de 1mL, à des taux de polarisation de quelques pourcents. Il présente une forte autonomie supérieure à quatre heures, autorisant ainsi la polarisation de molécules à longues constantes de temps de polarisation. La possibilité de disposer quasi-simultanément, après dissolution, de plusieurs échantillons fortement polarisés ouvre la voie à de nouvelles applications dans le domaine de l'imagerie biomédicale.

Rédigée février-mai 2008La reproduction des articles inclus dans le mémoire est interdite.; In liquid samples where both nuclear polarization and spin density are strong, the magnetization dynamics, which can be analysed by NMR (nuclear magnetic resonance) methods, is deeply influenced by the the internal couplings induced by local dipolar fields. The present thesis describes some of the many consequences associated to the presence in the sample of concentrated xenon hyperpolarized by an optical pumping process. First, we deal with the induced modifications in frequency and line width of the proton and xenon spectra, then we present the results of SPIDER, a coherent polarization transfer experiment designed to enhance the polarization of protons, in order to increase their NMR signal level. A third part is dedicated to the description of the apparition of repeated chaotic maser emissions by un unstable xenon magnetization coupled to the detection coil tuned at the xenon Larmor frequency (here 138 MHz). In the last part, we present a new method allowing a better tuning of any NMR detection probe and resulting in sensible gains in terms of sensitivity and signal shaping. Finally, we conclude with a partial questioning of the classical relaxation theory in the specific field of highly polarized and concentrated spin systems in a liquid phase.; Dans les milieux liquides où la polarisation et la densité de spins nucléaires sont importantes, la dynamique de l'aimantation, analysée par RMN (résonance magnétique nucléaire), est perturbée par les couplages internes induits par les champs magnétiques dipolaires locaux. Le présent mémoire décrit certaines conséquences associées à la présence dans l'échantillon d'une forte concentration de 129Xe hyperpolarisé par pompage optique (polarisation jusqu'à 20%), notamment les modifications des spectres RMN du proton et du xénon en présence. Puis nous présentons les résultats de l'expérience SPIDER, ayant pour but de transférer de façon cohérente la polarisation du xénon aux protons d'aimantation thermique afin d'accroître leur signal RMN. Ensuite, nous décrivons l'apparition d'émissions maser chaotiques répétées, dues au couplage inductif entre l'aimantation du xénon dans un état instable et la bobine d'analyse accordée à sa fréquence de Larmor (ici 138 MHz). Enfin, nous présentons dans la dernière partie une nouvelle méthode d'accord d'une sonde RMN permettant dans certaines conditions de réception un gain important en sensibilité et en forme de signaux, avant de conclure sur les limites de la théorie classique de la relaxation dans le cas des fortes aimantations en phase liquide.

Rédigée février-mai 2008La reproduction des articles inclus dans le mémoire est interdite.; In liquid samples where both nuclear polarization and spin density are strong, the magnetization dynamics, which can be analysed by NMR (nuclear magnetic resonance) methods, is deeply influenced by the the internal couplings induced by local dipolar fields. The present thesis describes some of the many consequences associated to the presence in the sample of concentrated xenon hyperpolarized by an optical pumping process. First, we deal with the induced modifications in frequency and line width of the proton and xenon spectra, then we present the results of SPIDER, a coherent polarization transfer experiment designed to enhance the polarization of protons, in order to increase their NMR signal level. A third part is dedicated to the description of the apparition of repeated chaotic maser emissions by un unstable xenon magnetization coupled to the detection coil tuned at the xenon Larmor frequency (here 138 MHz). In the last part, we present a new method allowing a better tuning of any NMR detection probe and resulting in sensible gains in terms of sensitivity and signal shaping. Finally, we conclude with a partial questioning of the classical relaxation theory in the specific field of highly polarized and concentrated spin systems in a liquid phase.; Dans les milieux liquides où la polarisation et la densité de spins nucléaires sont importantes, la dynamique de l'aimantation, analysée par RMN (résonance magnétique nucléaire), est perturbée par les couplages internes induits par les champs magnétiques dipolaires locaux. Le présent mémoire décrit certaines conséquences associées à la présence dans l'échantillon d'une forte concentration de 129Xe hyperpolarisé par pompage optique (polarisation jusqu'à 20%), notamment les modifications des spectres RMN du proton et du xénon en présence. Puis nous présentons les résultats de l'expérience SPIDER, ayant pour but de transférer de façon cohérente la polarisation du xénon aux protons d'aimantation thermique afin d'accroître leur signal RMN. Ensuite, nous décrivons l'apparition d'émissions maser chaotiques répétées, dues au couplage inductif entre l'aimantation du xénon dans un état instable et la bobine d'analyse accordée à sa fréquence de Larmor (ici 138 MHz). Enfin, nous présentons dans la dernière partie une nouvelle méthode d'accord d'une sonde RMN permettant dans certaines conditions de réception un gain important en sensibilité et en forme de signaux, avant de conclure sur les limites de la théorie classique de la relaxation dans le cas des fortes aimantations en phase liquide.

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.