Thèse Année : 2025

Résonateurs rf homogènes à haute sensibilité pour des applications en ingénierie tissulaire utilisant un scanner irm de paillasse : exploration d'une approche 3d plastronicque et cryogénique

High Sensitivity Homogenous RF Resonators for Large Tissue Engineering Applications Using a Benchtop MRI Scanner : Exploring a 3D Plastronics and Cryogenic Approach

Valernst Martial Gilmus
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1651646
  • IdRef : 294270329

Résumé

Recent advances in large 3D bio-engineered tissue constructs require new handling and imaging solutions. While complex 3D constructs demand advanced perfusion-based culture chambers for nutrient flow and waste removal, existing systems are often bulky, complex, and poorly suited for integration with imaging tools. Traditional imaging modalities are frequently destructive and fail to address the depth and scale of these tissues. Among available modalities, magnetic resonance imaging (MRI) stands out for its ability to provide high-resolution, noninvasive imaging. However, high-field MRI systems are impractical for routine laboratory use due to cost and accessibility. Low-field benchtop MRI systems have emerged as a practical solution, but their use is associated with a decrease in signal-to-noise ratio (SNR), which limits image quality. A critical factor in achieving optimal results lies in efficiently using the available space while integrating necessary functionalities, including optimized, highly sensitive, shielded radiofrequency (RF) coils. To take full advantage of MRI as an efficient modality for 3D living samples, it is necessary to design a setup combining a 3D perfused chamber with a form-fitted shielded coil in a single device. Moreover, the setup must fit into the limited available space inherent to benchtop MRI systems. A 3D Plastronics approach, enabling the full integration of electronic circuits on 3D surfaces, offers az promising solution. Using this method to integrate well-dimensioned coils directly onto the surface of the culture chamber allows for the creation of a cohesive system that combines imaging and tissue culture functionalities, ensuring optimal coil positioning, maximizing sensitivity, and maintaining a controlled, vivo-like environment. This thesis aims to present a scalable and cost-effective platform for characterizing 3D tissue-engineered constructs by combining the adaptability of 3D Plastronics manufacturing with a cost-effective, accessible, and portable low-field MRI scanner for in-line integration in the tissue fabrication process. Chapter I establishes the critical need for a practical imaging modality in tissue engineering. It delves into MRI principles, and identifies the radiofrequency (RF) coil as one of the most critical components for SNR optimization in low-field systems. It considers using 3D Plastronics to create coils with optimized geometries and enhanced sensitivity. Chapter II details a systematic, simulation-driven process to design and optimize an RF coil for a low-field benchtop MRI scanner, beginning with a theoretical review and moving to comprehensive 3D electromagnetic co-simulations to predict real-world performance and choose the design best suited. Chapter III covers the development, manufacturing, and validation of an integrated 3D Plastronics culture chamber. The chapter details the design process, the integration of a high-performance RF coil using a Rapid 3D Plastronics (R3DP) approach. It demonstrates the system's performance through a high-resolution, in situ MRI of a perfused, bio-printed hydrogel. Chapter IV explores another strategy to overcome sensitivity limitations, using cryogenic cooling of the RF coil. The design, manufacturing, and validation of a novel, proof-of-concept cryogenic setup are presented, laying the groundwork for future refinements, such as leveraging 3D Ceratronics to create coils with integrated microfluidic cooling channels for superior thermal management.

Les avancées récentes en ingénierie tissulaire 3D pour des tissues bio-conçues nécessitent de nouvelles solutions d’expérimentation et d'imagerie. Alors que les bio-constructions 3D complexes exigent des chambres de culture avancées basées sur un système de perfusion pour le flux des nutriments et l'élimination des déchets, les systèmes existants sont souvent encombrants, complexes et peu adaptés à l'intégration avec les outils d'imagerie. Les modalités d'imagerie traditionnelles sont fréquemment destructrices et ne parviennent pas à mesurer la profondeur et l'échelle de ces tissus. Parmi les modalités disponibles, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) sort du lot par sa capacité à fournir une imagerie non invasive à haute résolution. Cependant, les systèmes d'IRM à haut champ sont peu pratiques pour une utilisation quotidienne en laboratoire en raison de leur coût et de leur accessibilité. Des systèmes d'IRM de paillasse à bas champ ont vu le jour, mais leur utilisation est associée à une diminution du Rapport Signal sur Bruit, ce qui limite la qualité de l'image. Un facteur critique pour obtenir des résultats optimaux réside dans l'utilisation efficace de l'espace disponible tout en intégrant les fonctionnalités nécessaires, y compris des résonateurs radiofréquence (RF) blindés, optimisés et très sensibles. Pour tirer pleinement parti de l'IRM en tant que modalité efficace pour les échantillons vivants 3D, il est nécessaire de fabriquer un dispositif combinant une chambre perfusée 3D avec un résonateur blindé épousant sa forme en un seul appareil. De plus, le dispositif doit s'intégrer dans l'espace restreint disponible propre aux systèmes d'IRM de paillasse. Une approche Plastronique 3D, permettant l'intégration complète de circuits électroniques sur des surfaces 3D, utilisée pour mettre en place des résonateurs convenablement dimensionnés directement sur la surface de la chambre de culture, permet la création d'un système cohésif qui allie les fonctionnalités d'imagerie et de culture tissulaire, assurant un positionnement optimal du résonateur dans la zone d’imagerie, maximisant la sensibilité et conservant un environnement reflétant les caractéristiques in vivo. Cette thèse vise à présenter une plateforme agile, évolutive et rentable pour la caractérisation de bioconstructions tissulaires 3D en combinant la flexibilité de la fabrication plastronique 3D avec un scanner IRM à bas champ peu coûteux. Le chapitre I présente le besoin critique d'une modalité d'imagerie pratique et modulable en ingénierie tissulaire. Il approfondit les principes de l'IRM et identifie le résonateur radiofréquence (RF) comme l’un des éléments les plus critiques pour l'optimisation du RSB dans les systèmes bas champ. L'utilisation de la Plastronique 3D pour créer des résonateurs aux géométries optimisées et à la sensibilité améliorée est considérée. Le chapitre II détaille un processus guidé par la simulation et les calculs analytiques pour concevoir et optimiser un résonateur RF pour un scanner IRM de paillasse à bas champ, en commençant par une revue théorique, puis en s’orientant vers des co-simulations électromagnétiques 3D complètes pour prédire les performances en conditions réelles et sélectionner la conception la plus adaptée. Le chapitre III couvre le développement, la fabrication et la validation d'une chambre de culture Plastronique 3D. Le chapitre détaille le processus de conception et l'intégration d'un résonateur RF haute performance en utilisant une approche de Plastronique 3D Rapide (R3DP). Il démontre les performances du système à travers une IRM in situ à haute résolution d'un hydrogel bio-imprimé et perfusé. Le chapitre IV explore une autre stratégie pour surmonter les limites de sensibilité, en utilisant un système de refroidissement cryogénique résonateur RF. La conception, la fabrication et la validation d’une preuve de concept de dispositif cryogénique sont présentées, posant les bases pour des optimisations futures.

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Valernst Martial Gilmus. Résonateurs rf homogènes à haute sensibilité pour des applications en ingénierie tissulaire utilisant un scanner irm de paillasse : exploration d'une approche 3d plastronicque et cryogénique. Medical Imaging. Université Claude Bernard - Lyon I, 2025. English. ⟨NNT : 2025LYO10359⟩. ⟨tel-05530070⟩
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