Dans le domaine de la tomographie par rayons X préclinique, la tomographie spectrale est une voie de plus en plus en plus explorée. Les objectifs de la tomographie spectrale sont tant la caractérisation et la quantification des tissus et agents de contraste que l'amélioration de contraste entre tissus mous. Cela passe par l'exploitation de l'information spectrale (ou énergétique) des photons X et non plus seulement par la quantité de rayons X détectée comme en tomographie standard par absorption de rayons X. L'intérêt de la tomographie spectrale se trouve renforcé par l'arrivée des caméras à comptage comme le détecteur à pixels hybrides XPAD3 qui ont la capacité de sélectionner les photons X en fonction de leur énergie. Ce détecteur a été développé pour fonctionner dans le micro-tomodensitomètre PIXSCAN construit au CPPM. Dans ce contexte, cette thèse a deux buts~: participer à la construction du prototype PIXSCAN et y effectuer une preuve de concept de la tomographie spectrale. Le premier but est rempli grâce au développement de l'interface d'acquisition du PIXSCAN. Le second est atteint par l'implantation de la méthode de séparation de composantes dont le but est d'isoler les contributions photoélectrique, Compton et celles des agents de contraste. Ce travail débute par la caractérisation de cette méthode et se termine par sa démonstration sur données réelles acquises à l'aide du prototype PIXSCAN.

Une méthode d'aide à l'interprétation de données physiologiques, à base de modèles, est proposée. Un modèle du Système Cardiovasculaire (SCV) et du Système Nerveux Autonome (SNA) a été développé en considérant les particularités de ces deux systèmes caractérisés par la grande diversité : i) des échelles spatiales (cellule, tissu ou organe...), ii) des échelles temporelles (échange au niveau des portes ioniques, fréquence cardiaque...), iii) des domaines énergétiques (électrique, mécanique, hydraulique ...). Pour prendre en compte cette complexité, différents formalismes continus et discrets sont utilisés : Bond Graph, Equations Différentielles et Automates Cellulaires. Cette méthode est appliquée à deux problèmes cliniques : analyse de l'influence du SNA sur le SCV et étude de l'activité ventriculaire. Après l'acquisition des données expérimentales, les paramètres du modèle sont adaptés à chaque patient pour reproduire en simulation les signaux réels et proposer une interprétation physiologique personnalisée à chaque cas.

Les signaux des variations de sections thoracique (Tho) et abdominale (Abd) obtenus par<br />pléthysmographie respiratoire par inductance ont été analysés pour 1) détecter des limitations<br />inspiratoires de débit chez le sujet sain induites à l'aide d'un dispositif mis au point au<br />laboratoire; cette méthode de détection est basée sur l'analyse de la forme du signal Abd, 2)<br />évaluer les variations de volume pulmonaire afin d'en déduire l'évolution des fuites au cours<br />de la nuit, chez des patients ayant des maladies neuromusculaire sous ventilation assistée;<br />pour faire cette évaluation, les variations d'amplitudes des signaux Tho et Abd ont été<br />utilisées et 3) détecter les déglutitions provoquées par ingestion d'eau chez des personnes<br />âgées; cette détection utilise le signal débit, obtenu par dérivation du signal volume calculé à<br />partir des signaux Abd et Tho. Aucune de ces trois analyses n'a nécessité l'étalonnage du<br />système de pléthysmographie respiratoire par inductance.

La compréhension des dysfonctionnements locomoteurs est limitée par l'absence de technologie permettant l'analyse dynamique des structures internes et en particulier des segments osseux. Les imageurs tridimensionnels donnent accès à une description précise mais statique de la morphologie osseuse. Les systèmes d'analyse du mouvement par marqueurs externes fournissent quant à eux une information dynamique mais potentiellement empreinte d'erreurs relativement importantes en raison de la présence de tissus mous entre les os et la peau.<br /><br />Dans un premier temps, une étude a été menée pour proposer une méthode de correction des artéfacts des tissus mous lors de l'estimation du mouvement. Une approche surfacique est décrite. Cette méthode repose sur le suivi de la déformation, induite par le déplacement de l'omoplate, d'une nappe de marqueurs à la surface de la peau. Le suivi est réalisé par un algorithme de recalage robuste, l'IMCP. Cet algorithme, développé dans des travaux précédents, a été modifié et adapté de manière à prendre en compte le contexte de l'étude. Les améliorations ont principalement consisté en un post-traitement des données afin d'exploiter au maximum les capacités de mutualisation de l'information de l'algorithme, la prise en compte de l'influence des bords de la nappe de marqueurs et enfin l'optimisation du temps de calcul. Dans un second temps, afin de réaliser une étude morpho-fonctionnelle dans un espace commun de représentation, un protocole spécifique d'acquisition IRM a été mis en place. Celui-ci a pour objectif le recalage des repères locaux propres à l'acquisition morphologique et à celle du mouvement. L'analyse morpho-fonctionnelle de l'articulation glénohumérale, dans le cas de mouvements empreints d'erreurs, a également nécessité le développement de mesures quantifiant la cohérence articulaire.<br /><br />Les résultats obtenus montrent que l'utilisation d'une nappe de marqueurs recouvrant l'omoplate à la surface de la peau ne permet pas le suivi de l'empreinte de l'os. L'étude sur des simulations conduisent à avancer 2 hypothèses pour expliquer ces résultats : le bruit crée par les tissus mous est trop important et / ou la résolution de la surface de la peau disponible est insuffisante. L'intérêt de tendre vers des méthodes d'acquisition sans marqueurs est ainsi également mis en évidence. L'analyse morpho-fonctionelle a quant à elle mis en évidence l'influence du protocole d'acquisition utilisé sur la cohérence articulaire lors de l'animation des os. Le choix du positionnement des marqueurs sur l'omoplate et sur l'humérus ainsi que la méthode de traitement employée pour reconstruire le mouvement ont ainsi une influence significative sur l'estimation du mouvement des structures osseuses.

Ce mémoire est centré sur la visualisation et l'analyse tridimensionnelle de données morphologiques, la fusion d'informations provenant de modalités identiques mais dont l'acquisition est effectuée à des instant différents et de la mise en correspondance de signaux fonctionnels avec des données morphologiques.<br />Le premier chapitre est consacré à une étude bibliographique traitant de l'acquisition et de la modélisation de primitives tridimensionnelles en imagerie médicale. Le propos du second chapitre concerne une revue des techniques de représentation de primitives et de fonctions multi-variables.<br />Le troisième chapitre traite de la représentation et de l'analyse d'images morphologiques tridimensionnelles. Un nouveau concept, le lancer de rayons multi-fonctions, a été introduit afin d'intégrer sur le rayon une partie des traitements tels que l'interpolation, la détection, le filtrage tout en préservant les fonctionnalités de base (dissection, manipulation par exemple) de l'imagerie médicale tridimensionnelle. Une technique d'accélération du processus de synthèse d'images basée sur la cohérence inter-images est également proposée.<br />Le suivi d'une pathologie ou l'évaluation d'une thérapie nécessitent la confrontation d'images acquises par une même source mais à des instants distincts. Le quatrième chapitre porte sur l'étude et la mise au point d'une technique de recalage 3D en rotation de volumes basée sur une formalisation utilisant les quaternions.<br />Le dernier chapitre est consacré à la reconstitution et à la description (la visualisation) dans l'espace anatomique cérébral des champs de potentiels électriques ou magnétiques (EEG et MEG).

Ce mémoire de Thèse se focalise sur certains des problèmes non résolus en visualisation scientifique. Plus particulièrement nous avons pris une problématique médicale bien spécifique, la chirurgie conservatrice des tumeurs rénales, comme cadre applicatif pour l'élaboration de nouvelles solutions incluant des techniques de recalage de données, de segmentation et de visualisation 3D.<br />L'uroscan fournit 3 à 4 volumes présentant une information complémentaire sur l'anatomie rénale. La première étape consiste à mettre en correspondance ces différents volumes par une technique de recalage rigide du volume rénal basée sur la maximisation locale de l'information mutuelle.<br />L'idée principale de ce mémoire de Thèse est de proposer une visualisation de l'anatomie rénale directement à partir de ces données fusionnées. Pour cela, une technique de classification statistique des données basée sur une modélisation de la distribution des valeurs par un mélange de Gaussiennes incluant une information spatiale a été développée. Différentes techniques de visualisation 3D ont ensuite été adaptées à la représentation de cette information et comparées entre-elles.<br />Les techniques de représentation de surfaces peuvent être accélérées par des procédures de simplifications de maillages. Dans ce cadre, nous avons proposé deux métriques de description de la surface basées sur les moments géométriques et pouvant être incluses dans une telle procédure.<br />Ces différentes solutions, même si elles ont été développées dans le cadre de la représentation des structures anatomiques rénale, sont suffisamment génériques pour être utilisées ou adaptées à d'autres organes ou à d'autres applications médicales.

Nous proposons, implémentons et évaluons dans cette thèse des algorithmes permettant d'améliorer la résolution spatiale dans les images et débruiter les données en tomographie par émission de positrons. Ces algorithmes ont été employés pour des reconstructions sur une caméra à haute résolution (HRRT) et utilisés dans le cadre d'études cérébrales, mais la méthodologie développée peut être appliquée à d'autres caméras et dans d'autres situations. Dans un premier temps, nous avons développé une méthode de reconstruction itérative intégrant un modèle de résolution spatiale isotropique et stationnaire dans l'espace image, mesuré expérimentalement. Nous avons évalué les apports de cette méthode sur simulation Monte-Carlo, examens physiques et protocoles cliniques en la comparant à un algorithme de reconstruction de référence. Cette étude suggère une réduction des biais de quantification, en particulier dans l'étude clinique, et de meilleures corrélations spatialles et temporelles au niveau des voxels. Cependant, d'autres méthodes doivent être employées pour réduire le niveau de bruit dans les données. Dans un second temps, une approche de débruitage maximum a posteriori adaptée aux données dynamiques et permettant de débruiter temporellement les données d'acquisition (sinogrammes) ou images reconstruites a été proposé. L'a priori a été introduit en modélisant les coefficients dans une base d'ondelettes de l'ensemble des signaux recherchés (images ou sinogrammes). Nous avons comparé cette méthode à une méthode de débruitage de référence sur des simulations répliquées, ce qui illustre l'intérêt de l'approche de débruitage des sinogrammes.

LES METHODES CLASSIQUES DISPONIBLES POUR MESURER L'ACTIVITE ENZYMATIQUE DE REPARATION DES LESIONS DE L'ADN PAR DES ADN N-GLYCOSYLASES SONT LONGUES ET LABORIEUSES A METTRE EN ŒUVRE (ANALYSE PAR ELECTROPHORESE SUR GEL COUPLEE AU MARQUAGE PAR UN ISOTOPE RADIOACTIF OU ENCORE PAR CHROMATOGRAPHIE LIQUIDE HAUTE PERFORMANCE). NOUS AVONS DEVELOPPE DANS LE PRESENT TRAVAIL, UNE NOUVELLE METHODE DE QUANTIFICATION PRECISE ET AISEE DES ACTIVITES DE REPARATION BASEE SUR UNE DETECTION UTILISANT LE PRINCIPE PHYSIQUE DU FRET (TRANSFERT PAR RESONANCE D'ENERGIE DE FLUORESCENCE). POUR CE FAIRE, UN SUBSTRAT D'ADN ORIGINAL A ETE CONÇU : UNE STRUCTURE AUTOCOMPLEMENTAIRE CONTENANT DES LESIONS SPECIFIQUES DANS LA SEQUENCE DOUBLE BRIN DE L'EPINGLE A CHEVEUX ET, AYANT LES DEUX EXTREMITES MARQUEES PAR DES CHROMOPHORES. L'EXCISION DE LA LESION PAR DES ADN N-GLYCOSYLASES CONDUIT A LA SEPARATION DES BRINS COMPLEMENTAIRES, INDUISANT UNE DIMINUTION DU PROCESSUS DE « QUENCHING » DE FLUORESCENCE. L'EXCISION EST DONC DETECTEE ET QUANTIFIEE PAR L'AUGMENTATION DE L'INTENSITE DU SIGNAL D'EMISSION DU FLUOROPHORE. APRES AVOIR ETABLI LA LINEARITE DE LA REPONSE DU TEST, NOUS AVONS UTILISE CETTE APPROCHE EXPERIMENTALE POUR ACCEDER AUX PARAMETRES CINETIQUES CARACTERISTIQUES DES ENZYMES DE REPARATION. LA VALIDITE DE CES PARAMETRES A ETE CONTROLEE PAR COMPARAISON AVEC LES DONNEES OBTENUES PAR ANALYSE SUR GEL D'ACRYLAMIDE (EGPA). LES POSSIBLES APPLICATIONS DE NOTRE TEST EN TANT QU'OUTIL DE SCREENING POUR LA DETECTION D'ACTIVITE DE REPARATION OU D'INHIBITION ENZYMATIQUE, SUR ENZYMES PURIFIEES OU A PARTIR D'EXTRAITS CELLULAIRES ONT ETE INVESTIGUEES. ENFIN, UN PROJET DE MINIATURISATION DU FORMAT DE LECTURE DANS UN MICROSYSTEME DE TYPE « LAB-ON-A-CHIP » A ETE MENE. L'ENSEMBLE DES RESULTATS OBTENUS PROUVE LA PERTINENCE DE NOTRE METHODE D'ANALYSE EN PHASE HOMOGENE, EN VUE D'EXTENSIONS A L'ANALYSE PARALLELISEE HAUT DEBIT POUR DES APPLICATIONS EN RECHERCHE FONDAMENTALE, BIOMEDICALE ET PHARMACEUTIQUE.

Cette thèse porte sur deux aspects de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) à bas champ (0.2 T) : la recherche de nouveaux contrastes liés à l'interaction entre la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) et l'acoustique (élastographie, interaction spin-phonon) et l'augmentation du rapport signal-sur-bruit par Polarisation Dynamique Nucléaire (PDN). L'Elastographie par Résonance Magnétique (ERM) permet de retrouver certaines propriétés viscoélastiques des tissus par visualisation de la propagation d'ondes acoustiques transverses à basse fréquence. Une revue sur l'ERM est présentée, ainsi qu'une étude sur la mesure locale du coefficient d'absorption acoustique. La partie suivante est consacrée à l'interaction IRM-ultrasons. Le transducteur ultrasonore a d'abord été calibré en puissance et en champ acoustique en comparant deux méthodes : la méthode de la force de radiation (méthode de la balance) et l'interférométrie laser. Nous avons ensuite tenté de modifier le T1 des tissus par interaction spin-phonon due à l'application d'ultrasons à la fréquence de résonance à 0.2 T, soit environ 8.25 MHz. Aucune modification du contraste T1 n'a été obtenue, mais le phénomène de courant acoustique a pu être observé dans les liquides. La visualisation par IRM de ce courant pourrait permettre de calibrer les transducteurs ainsi que de retrouver certaines propriétés mécaniques des fluides visqueux. Le but de la dernière partie était la mise en place d'expériences de PDN à 0.2 T dans le but d'augmenter le signal RMN. Cette méthode de double résonance est basée sur le transfert de polarisation des électrons non-appariés de radicaux libres vers les protons de l'eau environnants. Ce transfert s'effectue par relaxation croisée lors de la saturation d'une transition électronique par Résonance Paramagnétique Electronique (RPE). Deux cavités de RPE opérant à 5.43 GHz ont été testées sur des radicaux libres d'oxo-TEMPO (nitroxyde). Un gain en signal RMN d'un facteur 30 a pu être obtenu lors de ces expériences préliminaires.

L'irritation mécanique de la peau entraîne une vasodilatation sur la ligne de la griffure suite à la libération de l'histamine des mastocytes et une vasodilatation dans les alentours liée à la stimulation des récepteurs de douleurs. Le réseau vasculaire est décrit par un modèle continu et un modèle discret. Les modèles consistent en trois couches. Le modèle continu décrit la première et la troisième couche (irrigation et drainage) comme milieux poreux bidimensionnels horizontaux. Le modèle discret tient compte de la structure de l'arbre vasculaire. La couche intermédiaire est décrite comme modèle de compartimentation. La vasodilatation a été mesurée en utilisant la Vélocimétrie Laser Doppler. Les résultats expérimentaux et numériques ont été comparés à l'aide du modèle de Bonner et al., qui est basé sur le spectre de fréquence du signal Doppler.