La bonne prise en charge des tumeurs repose sur un diagnostic précoce et une thérapie ciblée efficace. Nousétudions dans ce projet trois outils théranostiques, différents par leur origine et par leurs caractéristiques, afin dedémontrer leur intérêt pour l’imagerie et la thérapie des tumeurs.Le premier est un outil biologique, les cellules souches mésenchymateuses humaines connues pour leur tropismenaturel pour les sites inflammatoires et/ou hypoxiques, qui devrait donc leur permettre d’atteindre les tumeurs.Le deuxième outil consiste en des nanoparticules fonctionnalisées ou non avec un ligand ciblant les cellulestumorales, délivrées sous forme de spray dans les poumons. Cette méthode présente l’avantage de développer unoutil peu invasif pouvant être administré chez un patient présentant un cancer du poumon disséminé.Le dernier est un outil synthétique, bien défini structurellement, synthétisable de manière reproductible, de petitetaille, qui, après une administration par voie systémique cible les cellules tumorales primaires ou métastasées.Mes travaux permettent de mettre en évidence que, bien que les cellules souches mésenchymateuses ne soientpas de bons vecteurs pour le diagnostic et pour véhiculer un agent vers la tumeur, elles permettent de normaliserla vascularisation tumorale et de réorganiser les flux sanguins au sein de la tumeur. Ceci présente un éventuelintérêt thérapeutique, bien que complexe à mettre en application, qui pourrait ouvrir la porte à un pré-traitement« normalisateur » de la vascularisation tumorale.L’étude sur les nanovecteurs aérosolisés montre qu’ils peuvent être utiles, non seulement pour le ciblage tumoralpassif mais également pour le ciblage actif lorsqu’ils sont greffés avec un anticorps monoclonal spécifique descellules tumorales puisqu’ils permettent de détecter des nodules tumoraux répartis dans les poumons. De plus, leCetuximab utilisé ici comme agent de ciblage acquiert des propriétés nouvelles lorsqu’il est présenté sur desnanoparticules et permettrait de diminuer la résistance des cellules tumorales au traitement.Enfin, la petite molécule synthsétique PoroCombo que nous développons à partir de nos travaux antérieurs sur levecteur RAFT-RGD semble être la plus appropriée des trois pour délivrer une drogue dans le cytoplasme descellules après injection par voie systémique. De plus, cette molécule présente une triple activité anti-tumoraleavec l’induction de la mort cellulaire ainsi qu’un effet anti-angiogénique et le possible déclenchement d’uneréaction immunitaire anti-tumorale.Les trois « biovecteurs » étudiés ouvrent la porte vers un grand nombre d’applications permettant d’améliorer laprise en charge des tumeurs. / A good tumor treatment relies on an early diagnosis and an efficient targeted therapy.Three theranostic tools are studied, each one having a different origin and different properties, in order to showtheir interest for tumor’s imaging and therapy.The first tool is a biologic one, human mesenchymal stem cells (MSC) having a natural tropism towardinflammatory and/or hypoxic sites, which should permit them to reach tumors.The second one is nanoparticles, functionnalized or not with an antibody targeting tumor cells, delivered by alung spray. By this method we develop a non-invasive tool to treat patients with a disseminated lung tumor.The last one is a synthetic small sized theranostic tool with a reproducible synthesis, which, after a systemicadministration, targets primary and metastatic tumor cells.By my work, I show that even if MSC are not good vectors for diagnosis and delivery of therapeutic agents tothe tumors’ sites, they normalize tumors’ vessels, improving blood flow inside the tumor. This property presentsa real therapeutic interest, by pre-treating tumors before using chemotherapy.The study of aerosolized nanovectors reveals their interest for passive tumor targeting and for an active onewhen grafted with a specific monoclonal antibody as they permit the detection of tumor nodules disseminated inthe lungs.More, the targeting agent Cetuximab acquires new properties when grafted on nanoparticles permitting todecrease tumor cells resistance to the treatment.Finally, the small synthetic molecule PoroCombo developed from our previous work on RAFT-RGD vectors,seems to be the most appropriated to deliver a molecule in the cell’s cytoplasm after a systemic administration.This molecule has three anti-tumor activities by inducing cell death, by inducing anti-angiogenic impact and bytriggering anti-tumor immune reaction.The three studied “biovectors” reveal large applications to improve tumors’ treatment.Key words:

Cette thèse porte sur la segmentation des tumeurs du foie sur des images tomodensitométriques. Ce sujet présente un intérêt certain pour le domaine médical puisque les médecins pourraient ainsi bénéficier d’une méthode reproductible et fiable pour segmenter de telles lésions. Une segmentation précise des tumeurs du foie permettrait en effet d’aider les médecins lors de l’évaluation des lésions (détection, localisation, quantification), du choix d’un traitement, et de sa planification. Les méthodes développées dans ce cadre doivent faire face à trois principales difficultés scientifiques: (i) la grande variabilité de l’apparence et de la forme des structures recherchées, (ii) leur ressemblance avec les régions environnantes et finalement (iii) la faiblesse du rapport signal sur bruit observé dans les images dans lesquelles on travaille. Ce problème est abordé dans une optique d’application clinique et est résolu en suivant une approche en deux temps commençant par le calcul d’une enveloppe du foie, avant de segmenter les tumeurs présentes à l’intérieur de cette enveloppe. Nous commençons par proposer une approche basée sur des atlas pour le calcul d’une enveloppe des foies pathologiques. Tout d’abord, un outil de traitement d’image a été développé pour calculer une enveloppe autour d’un masque binaire, afin d’essayer d’obtenir une enveloppe du foie à partir d’une estimation du parenchyme sain. Un nouvel atlas statistique a ensuite été introduit, puis utilisé pour la segmentation à travers son recalage difféomorphique avec une image. La segmentation est finalement réalisée en combinant les coûts d’appariement des images avec des a priori spatiaux et d’apparence, le tout en suivant une approche multi échelle basée sur des MRFs. La deuxième étape de notre approche porte sur la segmentation des lésions contenues dans ces enveloppes en combinant des techniques d’apprentissage par ordinateur avec de méthodes basées sur des graphes. Un espace d’attributs approprié est tout d’abord défini en considérant des descripteurs de textures déterminés à travers des filtres de diverses tailles et orientations. Des méthodes avancées d’apprentissage automatique sont ensuite utilisées pour déterminer les attributs pertinents, ainsi que l’hyperplan qui sépare les voxels tumoraux des voxels correspondant à des tissus sains dans cet espace d’attributs. Pour finir, la segmentation est réalisée en minimisant une énergie sous forme de MRF, laquelle combine les probabilités d’appartenance de chaque voxel à une classe, avec celles de ses voisins. Des résultats prometteurs montrent les potentiels de notre méthode / This thesis is dedicated to 3D segmentation of liver tumors in CT images. This is a task of great clinical interest since it allows physicians benefiting from reproducible and reliable methods for segmenting such lesions. Accurate segmentation would indeed help them during the evaluation of the lesions, the choice of treatment and treatment planning. Such a complex segmentation task should cope with three main scientific challenges: (i) the highly variable shape of the structures being sought, (ii) their similarity of appearance compared with their surrounding medium and finally (iii) the low signal to noise ratio being observed in these images. This problem is addressed in a clinical context through a two step approach, consisting of the segmentation of the entire liver envelope, before segmenting the tumors which are present within the envelope. We begin by proposing an atlas-based approach for computing pathological liver envelopes. Initially images are pre-processed to compute the envelopes that wrap around binary masks in an attempt to obtain liver envelopes from estimated segmentations of healthy liver parenchyma. A new statistical atlas is then introduced and used to segmentation through its diffeomorphic registration to the new image. This segmentation is achieved through the combination of image matching costs as well as spatial and appearance priors using a multiscale approach with MRF. The second step of our approach is dedicated to lesions segmentation contained within the envelopes using a combination of machine learning techniques and graphbased methods. First, an appropriate feature space is considered that involves texture descriptors being determined through filtering using various scales and orientations. Then, state of the art machine learning techniques are used to determine the most relevant features, as well as the hyperplane that separates the feature space of tumoral voxels to the ones corresponding to healthy tissues. Segmentation is then achieved by minimizing an MRF energy that combines class probabilities and neighbor constraints. Promising results demonstrate the potentials of our method

Les pathologies cardiovasculaires et leurs conséquences représentent actuellement un problème de santé publique majeur dont la prise en charge pourrait être considérablement améliorée par le développement de nouvelles méthodes de diagnostic non invasives. Ce projet doctoral vise à développer des microparticules polysaccharides injectables dans la circulation sanguine permettant l’imagerie moléculaire des pathologies artérielles. Grâce à un procédé d’émulsion-réticulation, nous avons synthétisé ces microparticules qui sont d’une part fonctionnalisées avec du fucoïdane afin de pouvoir cibler la P-Sélectine qui est une molécule d’adhésion exprimée au niveau de la paroi artérielle lésée, et d’autre part, conjuguées à des agents de contraste afin d’apporter un signal en imagerie. Nous avons alors développé 2 outils d’imagerie moléculaire propres à 2 modalités classiques d’imagerie médicale. Afin de suivre les microparticules en tomographie par émission monophotonique de positons (TEMP), nous les avons radiomarquées avec du technétium 99m et pour les détecter en imagerie par résonance magnétique (IRM), nous les avons chargées avec des nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques. Nous avons ensuite validé l’efficacité de ces 2 outils d’imagerie moléculaire avec des essais précliniques en imagerie in vivo chez le petit animal sur des modèles de pathologies artérielles. Les résultats obtenus sont très encourageants et ces 2 outils d’imagerie moléculaire ont un fort potentiel clinique pour le diagnostic des pathologies artérielles. Nous avons également observé que les microparticules migrent dans la paroi artérielle dégradée au niveau des pathologies étudiées. Cette propriété singulière pourrait s’avérer très intéressante pour les futurs travaux qui consisteront à utiliser ce support pour véhiculer des molécules thérapeutiques au cœur des différentes pathologies artérielles. / Cardiovascular diseases and their consequences constitute nowadays a major health issue. Their treatment could be substantially improved with the development of new non invasive diagnostic techniques. The aim of this doctoral project is to develop injectable into blood stream polysaccharide microparticles that would permit molecular imaging of arterial pathologies. From an emulsion- crosslinking process, we synthesized these microparticles which are on the one hand functionalized with fucoidan to target P-Selectin which is expressed at damaged arterial wall, and on the other hand combined with contrast agents to bring an imaging signal. We developed 2 molecular imaging tools dedicated to 2 classical medical imaging modalities. In order to track the microparticles by single photon emission computed tomography, we radiolabeled them with technetium 99m and to detect them by MRI, we loaded them with superparamagnetic nanoparticles of iron oxide. We then have validated the efficiency of these 2 molecular imaging tools with preclinical studies of in vivo small animal imaging of arterial disease models. The obtained results are very promising and these 2 molecular imaging tools have a strong clinical potential for the diagnosis of arterial pathologies. We also have observed that the microparticles tend to migrate though the damaged arterial wall. This specific property could turn out to be very interesting for future works which will consist in using this technology to convey therapeutic molecules directly into the core of the arterial pathologies.

Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont eu pour objectif d'élaborer de nouvelles nanoparticules magnétiques pour l'imagerie médicale. Ce manuscrit abordera la méthode de synthèse des nanoparticules, leurs caractérisations puis leur évaluation comme agent de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et radio-traceur pour la scintigraphie.Dans un premier temps, nous proposerons une méthode de synthèse pour obtenir des nanoparticules magnétiques à base de polymères de coordination cyano-pontés élaborées à partir de précurseurs moléculaires de métaux de transitions et de lanthanides en utilisant des ligands cyanure pontant et stabilisées par des ligands solubles dans l'eau et biocompatibles. Nous présenterons la synthèse, les caractérisations structurales et texturales et les propriétés magnétiques de ces nano-objets de formule générale My[M'(CN)6]z @stabilisant avec M = Fe, Gd, Tb, Y, Ni, Cu ; M' = Fe, Co et stabilisant = PEGNH2, PEG400, Glu-TEG, D-Mannitol, NADG. Nous évaluerons ensuite leur potentielle pour des applications en imagerie médicale. Pour ce faire, nous discuterons de leur capacité à se comporter comme agent de contraste pour l'IRM et comme radio-traceur pour la scintigraphie ou plus précisément la tomographie par émission mono-photonique. Nous développerons une discussion sur les paramètres fondamentaux qui doivent être optimisés afin d'obtenir des nano-objets comme agents de contraste pour l'IRM et dans le but de comprendre le mécanisme de relaxivité de ces nano-objets. Enfin, nous testerons ces agents de contraste et radio-traceurs in vitro et in vivo sur le petit animal. Puis, nous évaluerons la cytotoxicité, la cinétique et les voies d'élimination, la biodistribution, la génotoxicité et la carcinogénèse des nanoparticules utilisées. / The goal of the present research is to elaborate new magnetic nanoparticles for medical imaging. This manuscript will describe the nanoparticles' synthesis method, their characterization and their evaluation as contrast agent for magnetic resonance imaging (MRI) and functional probe for scintigraphy.In a first time, we will propose synthesis processes allowing to obtain cyano-bridged coordination polymer based magnetic nanoparticles elaborated from transition metals or lanthanides molecular precursors using cyano-bridged ligands and stabilizing ligands soluble in water and biocompatible. We will introduce the synthesis, structural and textural characterizations and magnetic properties of these nano-objects with general formula My[M'(CN)6]z @stabilizer with M = Fe, Gd, Tb, Y, Ni, Cu ; M' = Fe, Co and stabilizer = PEG NH2, PEG400, Glu-TEG, D-Mannitol, NADG.In a second time, we will evaluate their potential as nanoprobles for application in medical imaging. For that, we will discuss about their capacity to act as a contrast agent for MRI and as a functional probe for scintigraphy or more specifically single photon emission computed tomography (SPECT). We will develop discussion about fundamental parameters which must be optimized to obtain contrast agent nano-objects for MRI and to understand nano-object relaxivity mechanisms. Then, we will test these contrast agents and functional probes in vitro and in vivo on mice. Also, we will evaluate the cytotoxicity, the kinetics and way of elimination, the biodistribution, the genotoxicity and the carcinogenesis of the used nanoparticles.

Ces travaux de thèse sont motivés par le développement de techniques d’imagerie alternatives pour le diagnostic précoce du cancer du sein. Parmi celles-ci, l’imagerie photoacoustique couple potentiellement les avantages de deux modalités d’imagerie non-invasives, à savoir la quantification de contrastes physiologiques du fait de l’excitation optique et la haute résolution du fait d’un sondage acoustique.Le but de ces travaux est de proposer une modélisation multiondes du phénomène photoacoustique, et d’incorporer ce modèle dans un algorithme de reconstruction efficace pour résoudre le problème inverse. Celui-ci se rapporte à la reconstruction de cartes de propriétés physiques (optique et/ou acoustiques) de l’intérieur du sein. La Méthode des Eléments Finis (MEF) a été retenue pour résoudre l’équation de propagation optique. Pour la résolution de l’équation de propagation acoustique, une méthode semi-analytique, basée sur des calculs par transformées de Fourier (méthod k-space), a été choisie. Pour la résolution du problème inverse, deux approches ont été étudiées : i) un sondage passif, permettant de remonter à la distribution de pression initiale, à l’aide de la méthode de retournement temporel ; ii) un sondage actif, où l’on interroge le milieu sélectivement sous différentes excitations, permettant de remonter quantitativement aux propriétés optiques du milieu. On appelle cette dernière approche Tomographie PhotoAcoustique Quantitative (TPAQ). Une étude spécifique sur le protocole d’illumination/détection a été conduite, prenant également en compte les contraintes expérimentales. / The present work was motivated by the development of alternative imaging techniques for breast cancer early diagnosis, that is photoacoustic imaging, which potentially couples the merits of optical imaging and ultrasound imaging, that is high optical functional contrasts brought by optical probing and high spatial resolution by ultrasound detection. Our work aims at modeling the photoacoustic multiwave phenomenon and incorporate it in an efficient reconstruction algorithm to solve the inverse problem. The inverse problem consists in the recovery of interior maps of physical properties of the breast. The forward model couples optical and acoustic propagations. The Finite Element Method (FEM) was chosen for solving the optical propagation equation, while a semi-analytical method based on Fourier transforms calculations (k-space method) was preferred for solving the acoustic propagation equation. For the inverse model, time reversal method was adopted to reconstruct the initial pressure distribution, an active approach of the inverse problem was also achieved, which decoupled the optical properties from measured photoacoustic pressure, this approach is called quantitative photoacoustic tomography (QPAT), in this approach, illumination/detection protocol was studied, and the experimental set up is also take into consideration. In the last step, photoacoustic pressure measurements obtained from experiment and simulation are studied and compared.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique d'acquisition d'images qui permet de visualiser les différents tissus du corps humain. Son principe se base sur le moment magnétique des protons des atomes d'hydrogène. Le corps étant principalement composé d'eau et donc d'hydrogène, cela en fait une méthode de choix pour faire de l'imagerie cardiaque. L'IRM est très utilisée en clinique pour observer et diagnostiquer les différentes maladies cardiaques, comme l'infarctus du myocarde, la cardiomyopathie dilatée ou la cardiomyopathie hypertrophique. Dans le cas du coeur, principalement trois structures anatomiques sont étudiées: la cavité du ventricule gauche, la cavité du ventricule droit et le myocarde. Dans ce but, il est nécessaire de faire une segmentation manuelle, semi-automatique ou automatique de l'image IRM. Une fois ces structures segmentées, différents paramètres physiologiques peuvent être calculés pour évaluer la maladie d'un patient. Souvent, les méthodes de segmentation se concentrent sur la segmentation de la cavité du ventricule gauche. Pour les autres structures, la segmentation est principalement faite à la main par un médecin ce qui demande un temps non négligeable (environ 10 à 15 minutes par coeur). Ce mémoire présente une base de données anonymisée d'images cardiaque contenant 150 patients avec différentes maladies cardiaques. Il présente aussi une nouvelle méthode de segmentation automatique des trois structures sans aucune intervention humaine. La méthode se base sur l'apprentissage profond, ce qui en fait une méthode très rapide (180 millisecondes par volume). Pour rendre les segmentations plus fidèles, elle incorpore un terme de contours qui permet d'avoir une segmentation plus précise des contours des structures et une forme a priori qui permet de rendre la segmentation plus près de celle d'un vrai coeur (sans trous ou anatomie impossible). Cette recherche est faite en collaboration avec l'Université de Bourgogne et l'Université de Lyon en France qui ont permis la mise en place de cette base de données cardiaque et la validation des résultats.

La polarité consiste en la ségrégation asymétrique de protéines, lipides ou organites au sein des cellules. Les cellules épithéliales sont un exemple de cellules hautement polarisées, avec un pôle apical, orienté vers l’extérieur, et un pôle basolatéral, orienté vers les tissus sous-jacents. Ces deux domaines sont séparés par des jonctions empêchant le passage des protéines d’un domaine à l’autre de la membrane. Par ailleurs, ces cellules organisent une polarité planaire in vivo, cruciale pour permettre différents processus morphogénétiques. La mise en place d’une telle organisation requiert la présence d’un trafic polarisé au sein des cellules pour adresser les différentes protéines au domaine adéquat de la membrane. Au cours de ma thèse j'ai étudié les mécanismes mis en place par le trafic intracellulaire pour permettre une telle organisation, avec pour modèle l’épiderme latéral du nématode Caenorhabditis elegans. D’une part, mes travaux de thèse ont mis en évidence dans les larves de nouveaux mécanismes de tri apico-basal d’une protéine essentielle pour la cohésion des tissus, la E-cadhérine. Ainsi, une première voie de tri impliquant le complexe adaptateur pour la clathrine AP-1, son interacteur physique SOAP-1 et la clathrine a été caractérisée. Un rôle pour la petite GTPase RAB-1 a également été mis en lumière dans ce processus. D’autre part, mes travaux ont mis en évidence un rôle pour cette petite GTPase RAB-1 dans l’organisation de la polarité planaire des cellules de l’épiderme au cours de la morphogenèse dans l’embryon. En effet, RAB-1 est requise pour localiser les protéines PAR spécifiquement au niveau des jonctions antéro-postérieures entre deux cellules et orienter le cytosquelette d’actine de manière perpendiculaire à l’axe antéro-postérieur. RAB-1 pourrait agir dans ce processus à trois niveaux : avec les protéines de polarité planaire Frizzled/MOM-5 et Dishevelled/DSH-2, via les phosphoinositides contrôlés par RAB-35 et OCLR-1 et/ou en régulant la tension générée à l'échelle du tissu. / Polarity is defined by the asymmetric segregation of proteins, lipids or organelles inside cells. Epithelial cells are highly polarized with an apical domain, facing the outside of the organism, and a basolateral domain facing the underlying tissues. These domains are separated by junctions to prevent diffusion between the two membrane domains. Moreover, these cells are planar polarized, a crucial process to ensure correct morphogenesis. Such an organization requires polarized membrane traffic in order to ensure proper targeting of proteins to the right domain of the plasma membrane. During my PhD, I studied the impact of membrane traffic on epithelial cell polarity by focusing on the lateral epidermis in the nematode Caenorhabditis elegans. On the one hand, my work revealed new mechanisms involved in apico-basal sorting of E-cadherin, an essential adhesion protein, in larvae. A sorting pathway involving the clathrin adaptor AP-1, its physical interactor SOAP-1 as well as clathrin has been shown to be essential for a proper apical localization of E-cadherin. Similarly, the small GTPase RAB-1 is also crucial for that process. On the other hand, my work revealed a function for RAB-1 in the planar polarity of epidermal cells during embryonic morphogenesis. RAB-1 is required to properly localize PAR proteins at antero-posterior junctions as well as to polarize actin fibers perpendicularly to the antero-posterior axis in epidermal cells. This function of RAB-1 could be linked to three pathways: the classical planar cell polarity proteins Frizzled/MOM-5 and Dishevelled/DSH-2, the phosphoinositides controlled by RAB-35 and OCRL-1 and/or by regulating tissue-level tension.

Les techniques de thérapie par ultrasons sont apparues très récemment avec la découverte des ultrasons de haute intensité focalisée. La thrombolyse ultrasonore extracorporelle en fait partie et se base sur la destruction mécanique du thrombus causée par la cavitation acoustique. Cependant, c'est un phénomène mal contrôlé. Ainsi, un meilleur contrôle de l'activité de cavitation et sa localisation pendant la thérapie est essentiel pour considérer le développement d'un dispositif thérapeutique. Un prototype a déjà été conçu et amélioré avec une boucle de rétroaction en temps réel afin de contrôler l'activité de puissance de cavitation. Cependant, pour surveiller le traitement en temps réel, un système d'imagerie ultrasonore doit être incorporé dans le dispositif thérapeutique. Il doit être capable de localiser le thrombus, de positionner la focale du transducteur thérapeutique, de contrôler la destruction complète du thrombus et d'évaluer en temps réel l'activité de cavitation. Le travail actuel se focalise principalement sur le développement de techniques d'imagerie ultrasonore passive utilisées pour reconstituer les cartographies d'activité de cavitation. Différents algorithmes de formation de voies ont été examinés et validés par des simulations de sources ponctuelles, des expériences in vitro sur fil et des expériences de cavitation dans une cuve d'eau. Il a été démontré que l'algorithme de formation de voie le plus précis pour la localisation du point focale de cavitation est la technique de cartographie passive acoustique pondérée avec le facteur de cohérence de phase (PAM-PCF). En outre, des tests in vivo sur un modèle animal d'ischémie des membres aigus ont été évalués. Enfin, certaines optimisations du système d'imagerie développé précédemment ont été réalisées comme l'imagerie 3D, l'implémentation en temps réel et l'imagerie hybride combinant l'imagerie active anatomique avec les cartographies de cavitation passive / Ultrasound therapy techniques emerged very recently with the discovery of high intensity focused ultrasound (HIFU) technology. Extracorporeal ultrasound thrombolysis is one of these promising innovative low-invasive treatment based on the mechanical destruction of thrombus caused by acoustic cavitation mechanisms. Yet, it is a poorly controlled phenomenon and therefore raises problems of reproducibility that could damage vessel walls. Thus, better control of cavitation activity during the ultrasonic treatment and especially its localization during the therapy is an essential approach to consider the development of a therapeutic device. A prototype has already been designed and improved with a real-time feedback loop in order to control the cavitation power activity. However, to monitor the treatment in real-time, an ultrasound imaging system needs to be incorporated into the therapeutic device. It should be able to first spot the blood clot, to position the focal point of the therapy transducer, control the proper destruction of the thrombus, and evaluate in real-time the cavitation activity. Present work focusses mainly on the development of passive ultrasound techniques used to reconstruct cavitation activity maps. Different beamforming algorithms were investigated and validated through point source simulations, in vitro experiments on a wire, and cavitation experiments in a water tank. It was demonstrated that an accurate beamforming algorithm for focal cavitation point localization is the passive acoustic mapping weighted with the phase coherence factor (PAM-PCF). Additionally, in vivo testing on an animal model of acute limb ischemia was assessed. Finally, some optimizations of the previous developed imaging system were carried out as 3D imaging, real-time implementation, and hybrid imaging combining active anatomical imaging with passive cavitation mapping

Dans le cadre de cette thèse, nous nous somme focalisés sur deux objectifs complémentaires. Le premier concerne l’évolution de la méthode du Gabarit Déformable Elastique (GDE) pour l’extraction semi-automatique de l’anatomie et du mouvement cardiaque, développée au laboratoire Creatis. Un travail a d’abord été réalisé sur une base de données de 45 patients afin de mettre en évidence les points forts et les points faibles de l’algorithme, notamment la difficulté à suivre des déformations trop importantes ou des formes inhabituelles. Puis, différents types de contraintes ont été intégrées au modèle GDE afin d’en améliorer les performances : prescription locale ou dense de déplacements, directionnalité de la déformation contrainte par celle des fibres. Les contraintes proposées sont évaluées sur des données de synthèse et des données réelles en IRM ciné et de marquage tissulaire acquises chez l’homme. Parallèlement, une étude a été réalisée pour mettre en place la méthodologie nécessaire à l’extraction et l’analyse statistique de la déformation des fibres myocardiques. Ce travail a été effectué en collaboration avec une équipe du Auckland Bioengineering Institute en Nouvelle-Zélande. Un modèle biomécanique par éléments finis intègre la direction principale des fibres en tout point du ventricule gauche issue d’acquisitions en IRM du tenseur de diffusion (IRM-TD) sur coeurs humains ex vivo et le mouvement issu de séquences IRM marquées. Cette combinaison permet l’estimation de la déformation des fibres et sa variation durant le cycle cardiaque. La variabilité dans la déformation des fibres est étudiée statistiquement à travers le croisement d’une base de données IRM-TD et d’une base de données IRM marquées. / In this thesis, we are interested in two complementary goals. First, we have improved the Dynamic Deformable Elastic Template (DET) model, developed at Creatis, for the semi-automatic extraction of the anatomy and cardiac motion. The performance of the method was assessed on a database consisting in 45 patients and yielded fairly accurate results. However, it experienced difficulties when dealing with very large thickening throughout the cardiac cycle. Thus, different type of constraints were integrated to the DET model in order to improve robustness and accuracy : local or dense prescribed displacements, deformations directionally constrained by the fibres. These constraints are evaluated on simulated and real human data, in both cine and tagged MR images. A methodology has also been developed in order to extract and statistically analyse myocardial fibre strain. This work was done in collaboration with a team at the Auckland Bioengineering Institute in New Zealand. A finite elements biomechanical model integrates the principle direction of fibres in the left ventricle from Diffusion Tensor MRI acquisitions on ex vivo human hearts and motion from tagged MRI sequences. Fibre strain and its variation throughout the cardiac cycle were estimated. Variability in fibre strain is statistically studied by joining DT-MRI and tagged MRI databases.

L’objectif principal de cette thèse est le développement de techniques de segmentation et de suivi totalement automatisées du ventricule gauche (VG) en RT3DE. Du fait de la nature difficile et complexe des données RT3DE, l’application directe des algorithmes classiques de vision par ordinateur est le plus souvent impossible. Les solutions proposées ont donc été formalisées et implémentées de sorte à satisfaire les contraintes suivantes : elles doivent permettre une analyse complètement automatique (ou presque) et le temps de calcul nécessaire doit être faible afin de pouvoir fonctionner en temps réel pour une utilisation clinique optimale. Dans ce contexte, nous avons donc proposé un nouveau cadre ou les derniers développements en segmentation d’images par ensembles de niveaux peuvent être aisément intégrés, tout en évitant les temps de calcul importants associés à ce type d’algorithmes. La validation clinique de cette approche a été effectuée en deux temps. Tout d’abord, les performances des outils développés ont été évaluées dans un contexte global se focalisant sur l’utilisation en routine clinique. Dans un second temps, la précision de la position estimée du contour du ventricule gauche a été mesurée. Enfin, les méthodes proposées ont été intégrées dans une suite logicielle utilisée à des fins de recherche. Afin de permettre une utilisation quotidienne efficace, des solutions conviviales ont été proposées incluant notamment un outil interactif pour corriger la segmentation du VG. / The fundamental goal of the present thesis was the development of automatic strategies for left ventricular (LV) segmentation and tracking in RT3DE data. Given the challenging nature of RT3DE data, classical computer vision algorithms often face complications when applied to ultrasound. Furthermore, the proposed solutions were formalized and built to respect the following requirements: they should allow (nearly) fully automatic analysis and their computational burden should be low, thus enabling real-time processing for optimal online clinical use. With this in mind, we have proposed a novel segmentation framework where the latest developments in level-set-based image segmentation algorithms could be straightforwardly integrated, while avoiding the heavy computational burden often associated with level-set algorithms. Furthermore, a strong validation component was included in order to assess the performance of the proposed algorithms in realistic scenarios comprising clinical data. First, the performance of the developed tools was evaluated from a global perspective, focusing on its use in clinical daily practice. Secondly, also the spatial accuracy of the estimated left ventricular boundaries was assessed. As a final step, we aimed at the integration of the developed methods in an in-house developed software suite used for research purposes. This included user-friendly solutions for efficient daily use, namely user interactive tools to adjust the segmented left ventricular boundaries.