La quantification de la perfusion tissulaire à partir de données dynamiques d’échographie de contraste repose sur une modélisation appropriée de la cinétique de la concentration en agent de contraste dans le tissu étudié. De nombreux facteurs, expérimentaux ou physiologiques, rendent la comparaison inter ou intra-individu de ces paramètres de perfusion difficile. Dans cette thèse, la reproductibilité et la comparaison de différentes méthodes de quantification ont été étudiées dans le cadre d’une étude préclinique de test-retest et sur des simulations numériques. Les méthodes étudiées ont été : le modèle log-normal, le modèle compartimental avec fonction d’entrée et le modèle compartimental avec tissu de référence. Les études précliniques ont montré la difficulté d’estimation d’une fonction d’entrée artérielle et la nécessité de corriger localement le temps d’arrivée de l’agent de contraste dans le tissu pour que l’approximation des cinétiques expérimentales par le modèle soit de qualité suffisante. Une estimation linéaire sous contrainte des paramètres du modèle compartimental avec tissu de référence tirant profit de différentes zones d’intérêt dans l’image a été ensuite proposée pour obtenir à l’échelle régionale et/ou locale des valeurs relatives cohérentes de débit sanguin tissulaire et de volume sanguin tissulaire, exprimées par rapport aux valeurs dans le tissu de référence. Il a été montré que cette approche est la plus robuste et la plus reproductible. L’influence des facteurs tels que la durée d’acquisition, la fréquence d’échantillonnage, le nombre de régions utilisées et l’amplitude du bruit a été étudiée sur des simulations et a permis de formuler des recommandations pour l’acquisition et le traitement des études en échographie de contraste. / Quantification of tissue perfusion from dynamic contrast-enhanced ultrasound data relies on appropriate modeling of the curve representing the evolution of the contrast-agent concentration inside the studied tissue. Many factors, experimental or physiological, make inter-subject or intra-subject comparison of these perfusion parameters difficult. In this thesis, the reproducibility and the comparison of various quantification methods was investigated through preclinical test-retest experiments and through simulations. The investigated methods were: the log-normal model, the one-compartment model using an arterial input function, and the one-compartment model using a reference tissue. The preclinical experiments revealed the difficulty to estimate an arterial input function directly from the image, as well as the necessity to locally correct for the time of arrival of the contrast agent in the tissue in order to ensure the model accurately fits the experimental enhancement curves. A regularized linear estimation of the parameters of the one-compartment model using a reference tissue taking advantage of multiple tissue regions was then proposed to obtain homogeneous relative values of the tissue blood flow and tissue blood volume, expressed relatively to the parameter value inside the reference tissue. The improved robustness and reproducibility of the method was demonstrated. The influence of factors such as the exam duration, the sampling frequency, the number of tissue regions in the analysis, and the noise amplitude were investigated through simulations, and allowed us to formulate recommendations regarding the acquisition and the analysis of contrast-enhanced ultrasound studies.

Le retard de croissance intra-utérin par altérations vasculaires placentaires affecte 4% des grossesses actuelles. Ses mécanismes d’installation encore inconnus ont un impact pédiatrique important responsable d’une mortalité non négligeable. La combinaison d’un retard de croissance intra-utérin et de modifications vasculaires placentaires sur un modèle animal est nécessaire pour comprendre ces mécanismes et envisager une étude thérapeutique ultérieure. Le but de ce projet est de mettre au point dans un premier temps un modèle animal qui associe au retard de croissance intra-utérin les modifications vasculaires placentaires retrouvées dans la physiopathologie humaine. Pour cela, deux modèles animaux murins ont été étudiés : l'hyperthermie en fin de gestation et l’anémie par carence martiale pré et péri-gestationnelle. Une étude qualitative et quantitative par échographie (échographie Doppler et échographie de contraste) associée à une étude anatomopathologique. immuno-histochimiques et spectroscopique des placentas a été réalisée. L’optimisation du modèle animal définitif a requis dans un premier temps la mise au point de repères anatomiques inexistants à l'heure actuelle permettant la reproductivité des mesures échographiques ainsi que la mise en évidence de l’innocuité du produit de contraste échographique utilisé. Une étude placentaire globale nous a permis d’enregistrer des modifications structurelles liées au modèle analysé. L’étude de ces deux modèles animaux nous a permis d’établir un protocole de mesure standardisé et de mettre en évidence l’absence d’effet de l’utilisation du produit de contraste échographique sur la gestation. L’hyperthermie tout comme la carence martiale sont responsables d'un retard de croissance intra-utérin avec un effet dose dépendant. Les modifications vasculaires placentaires retrouvées dans le modèle hyperthermie à type d'ischémie-hémorragique n’apparaissent pas consécutives à des modifications vasculaires installées mais séquellaires de cet incident aigu. Les modifications hémodynamiques enregistrées dans le cadre de la carence martiale sont plutôt en faveur de modifications vasculaires en accord avec la pathologie humaine. L’étude spectroscopique ne met pas en évidence de changement métabolomique particulier. Ces deux modèles permettent donc l’installation d’un retard de croissance intra-utérin corrélé positivement à l’intensité du protocole. Le modèle anémie tend à se rapprocher au mieux de la pathologie humaine ; son étude reste à approfondir sur des effectifs plus conséquents. / The intra-uterin growth restriction by placental vascular modifications affects 4% of the current pregnancies. lt’s still unknown installation mechanism has an important pediatric impact with a significant mortality. The association of intra-uterin growth restriction and placental vascular defects on an animal model is necessary to understand this mechanism and envisage a therapeutic study later. The aim of Ibis project is to establish at first an animal model which associates intra-uterin growth restriction and vascular placental modifications found in the human physiopathology For that purpose, two murine models were studied : hyperthermia at the end of the gestation and anaemia by iron deficiency before and during the gestation. A qualitative and quantitative study by ultrasonography (Doppler ultrasonography and contrast ultrasonography) associated with anatomopathological, immune-histochemical and spectroscopic studies of the placentas was realized. The optimization of the definitive animal model required at first anatomical marks development, allowing reproduction of the ultrasonographic measures as well as revelation of the ultrasound contrast product harmlessness. A global placental study allowed us to note structural modifications connected to the analyzed model. The study of these two animals models allowed us to establish a standard measuring protocol and show that ultrasonographic contrast product use had no effect on the gestation. The hyperthermia, as the iron deficiency, is responsible of an intra-uterin growth restriction with a positive effect dose related. The vascular placental modifications found in the hyperthermia model as hemorrhage and ischaemia areas do not appear as the result of vascular modifications but after-effects of this acute incident. The hemodynamical modifications registered within the framework of the iron deficiency are rather in favour of vascular modifications in agreement with the human pathology. The spectroscopic study does not show metabolomic modifications. These two models allow the installation of an intra-uterin growth restriction positively correlated with the protocol intensity. The anaemia model gets closer to the human pathology; its study remains b he continued with more consequent numbers.

La distinction entre les fœtus constitutionnellement petits de ceux qui présentent une réelle restriction de croissance liée à une insuffisance placentaire n’est pas aisée avec les mesures échographiques utilisées en pratique courante. Le retard de croissance intra-utérin (RCIU) est responsable d’une part importante de la prématurité induite, et d’une augmentation du risque de mortalité et de morbidité néonatales. C’est pourquoi, l’amélioration de la connaissance de la vascularisation placentaire est indispensable pour mieux identifier et prendre en charge les situations d’hypoxie chroniques foetales associées à l’insuffisance placentaire.Pour quantifier la vascularisation les modalités d’imagerie de perfusion disponibles sont l’échographie et l’IRM. Les études évaluant la quantification de la perfusion placentaire par échographie de contraste sont peu nombreuses. Les avantages et les limites de cet examen ont été évalués sur un modèle murin de RCIU par ligature vasculaire. Ainsi, l’échographie de contraste permettait de quantifier une baisse de la perfusion placentaire sur un modèle de RCIU sans que l’on puisse observer de passage d’agents de contraste ultrasonores au travers la barrière placentaire. Les résultats obtenus ont été comparés aux données obtenues par l’IRM de perfusion. Les paramètres quantitatifs obtenus à partir des courbes de cinétiques du contraste pour chacune des deux modalités d’imagerie étaient comparables sur un modèle identique de RCIU murin. Enfin, une méthode d’étude de l’oxygénation placentaire par imagerie photoacoustique a été évaluée. Cette modalité d’imagerie non invasive permettait d’obtenir en temps réel l’oxygénation placentaire, avec cependant une profondeur limitée d’exploration. Le placenta semblait se comporter comme une réserve en oxygène au cours de l’étude d’une séquence hypoxie – hyperoxygénation maternelle avec une désaturation moins importante que celle observée dans les autres tissus maternels. / To identify fetuses small for their gestational-age who have reached their appropriate growth potential from growth-restricted fetuses due to placental insufficiency is uneasy. Intra Uterine Growth Restriction (IUGR) increases the risk for indicated preterm delivery, neonatal mortality and morbidity. Therefore, improving the knowledge of the placental perfusion is essential to better identify and manage fetal chronic oxygen deprivation associated with placental insufficiency.Contrast Enhanced Ultrasound (CEUS) and MRI are two imaging modalities available to quantify placental perfusion. However, few studies focus on the quantification of placental perfusion with CEUS. First, the advantages and limitations of CEUS were presented in an IUGR rat model by uterine ligation. The placental perfusion observed by CEUS was significantly decreased in the ligated horn. No contrast enhancement was observed in the umbilical vein or the fetus. Then, we compared the CEUS parameters to results obtained by MRI perfusion. Perfusion parameters were obtained from the signal intensity decay curve for the two imaging modalities. Results of such perfusion parameters were comparable in the same IUGR rat model. Finally, we evaluated the response of the placenta to oxygenation by photoacoustic imaging. PA imaging is a real-time, non-invasive method to evaluate placental oxygenation without contrast agents. Our results suggesting that placenta is less affected than maternal tissue by the decline in maternal oxygenation. The placenta may play an important role in protecting the feus against hypoxia.

La segmentation d’images médicales est depuis longtemps un sujet de recherche actif. Cette thèse traite des méthodes de segmentation basées modèles, qui sont un bon compromis entre généricité et capacité d’utilisation d’informations a priori sur l’organe cible. Notre but est de construire un algorithme de segmentation pouvant tirer profit d’une grande variété d’informations extérieures telles que des bases de données annotées (via l’apprentissage statistique), d’autres images du même patient (via la co-segmentation) et des interactions de l’utilisateur. Ce travail est basé sur la déformation de modèle implicite, une méthode variationnelle reposant sur une représentation implicite des formes. Après avoir amélioré sa formulation mathématique, nous montrons son potentiel sur des problèmes cliniques difficiles. Nous introduisons ensuite différentes généralisations, indépendantes mais complémentaires, visant à enrichir le modèle de forme et d’apparence utilisé. La diversité des applications cliniques traitées prouve la généricité et l’efficacité de nos contributions. / Within the wide field of medical imaging research, image segmentation is one of the earliest but still open topics. This thesis focuses on model-based segmentation methods, which achieve a good trade-off between genericity and ability to carry prior information on the target organ. Our goal is to build an efficient segmentation framework that is able to leverage all kinds of external information, i.e. annotated databases via statistical learning, other images from the patient via co-segmentation and user input via live interactions. This work is based on the implicit template deformation framework, a variational method relying on an implicit representation of shapes. After improving the mathematical formulation of this approach, we show its potential on challenging clinical problems. Then, we introduce different generalizations, all independent but complementary, aimed at enriching both the shape and appearance model exploited. The diversity of the clinical applications addressed shows the genericity and the effectiveness of our contributions.

La segmentation d'images médicales est depuis longtemps un sujet de recherche actif. Cette thèse traite des méthodes de segmentation basées modèles, qui sont un bon compromis entre généricité et capacité d'utilisation d'informations a priori sur l'organe cible. Notre but est de construire un algorithme de segmentation pouvant tirer profit d'une grande variété d'informations extérieures telles que des bases de données annotées (via l'apprentissage statistique), d'autres images du même patient (via la co-segmentation) et des interactions de l'utilisateur. Ce travail est basé sur la déformation de modèle implicite, une méthode variationnelle reposant sur une représentation implicite des formes. Après avoir amélioré sa formulation mathématique, nous montrons son potentiel sur des problèmes cliniques difficiles. Nous introduisons ensuite différentes généralisations, indépendantes mais complémentaires, visant à enrichir le modèle de forme et d'apparence utilisé. La diversité des applications cliniques traitées prouve la généricité et l'efficacité de nos contributions.