Cette thèse concerne le développement d'un cadre de contrôle robotique pour l'élastographie ultrasonore quantitative. L'élastographie ultrasonore est une technique qui dévoile les paramètres élastiques du tissu qui sont généralement liés à une pathologie. Cette thèse propose trois nouvelles approches robotiques différentes pour pour assister la procédure d'élastographie. La première approche concerne le contrôle d'un robot actionnant une sonde à ultrasons pour effectuer un mouvement de palpation nécessaire pour l'élastographie par ultrasons. L'élasticité du tissu est utilisée pour concevoir une loi d'asservissement afin de maintenir un tissu d'intérêt rigide dans le champ de vision de la sonde ultrasonore. De plus, l'orientation de la sonde est contrôlée par un utilisateur humain pour explorer différentes vues du tissu pendant que l'élastographie est effectuée. La seconde approche exploite le recalage d'images déformables avec des images ultrasonores pour estimer l'élasticité tissulaire et aider à la compensation automatique par asservissement visuel ultrasonore d'un mouvement introduit dans le tissu. La troisième approche offre une méthodologie pour ressentir l'élasticité du tissu en déplaçant une sonde virtuelle dans l'image ultrasonore avec un dispositif haptique pendant que le robot effectue un mouvement de palpation. Les résultats expérimentaux des trois approches robotiques obtenus sur des fantômes constitués de tissus démontrent l'efficacité des méthodes proposées et ouvre des perspectives intéressantes pour l'élastographie ultrasonore assistée par robot. / This thesis concerns the development of a robotic control framework for quantitative ultrasound elastography. Ultrasound elastography is a technology that unveils elastic parameters of a tissue, which are commonly related with certain pathologies. This thesis proposes three novel robotic approaches to assist examiners with elastography. The first approach deals with the control of a robot actuating an ultrasound probe to perform palpation motion required for ultrasound elastography. The elasticity of the tissue is used to design a servo control law to keep a stiff tissue of interest in the field of view of the ultrasound probe. Additionally, the orientation of the probe is controlled by a human user to explore other tissue while elastography is performed. The second approach exploits deformable image registration of ultrasound images to estimate the tissue elasticity and to help in the automatic compensation by ultrasound visual servoing of a motion introduced into the tissue. The third approach offers a methodology to feel the elasticity of the tissue by moving a virtual probe in the ultrasound image with a haptic device while the robot is performing palpation motion. Experimental results of the three robotic approaches over phantoms with tissue-like offer an excellent perspective for robotic-assistance for ultrasound elastography.

Il est maintenant admis que la composition de la plaque athérosclérotique est un déterminant majeur de sa vulnérabilité à se rompre. Vu que la composition de la plaque affecte ses propriétés mécaniques, l'évaluation locale des propriétés mécaniques de la plaque d'athérome peut nous informer sur sa vulnérabilité. L'objectif est de comparer les techniques d’élastographie ultrasonores endovasculaire (EVE) et non-invasive (NIVE) en fonction de leur potentiel à identifier les composantes calcifiées et lipidiques de la plaque. Les acquisitions intravasculaire et extravasculaire ont été effectuées sur les artères carotidiennes de neuf porcs hypercholestérolémiques à l’aide d’un cathéter de 20 MHz et d'une sonde linéaire de 7.5 MHz, respectivement. Les valeurs de déformation radiale et axiale, rapportés par EVE et NIVE, ont été corrélées avec le pourcentage des zones histologiques calcifiées et lipidiques pour cinq plaques. Nos résultats démontrent une bonne corrélation positive entre les déformations et les composantes calcifiées (r2 = 0.82, P = 0.034 valeur par EVE et r2 = 0.80, P = 0.041 valeur par NIVE). Une forte corrélation entre les déformations axiales et les contenus lipidiques par NIVE (r2 = 0.92, P-value = 0.010) a été obtenue. En conclusion, NIVE et EVE sont des techniques potentielles pour identifier les composants de la plaque et aider les médecins à diagnostiquer précocement les plaques vulnérables. / It is now widely accepted that plaque composition is a major determinant of plaque’s vulnerability to rupture. Since composition of the plaque affects its mechanical properties, the local assessment of mechanical properties of atherosclerotic plaque may inform us about plaque’s vulnerability. The objective is to compare ultrasonic endovascular elastography (EVE) versus non-invasive vascular elastography (NIVE) according to their potential to identify plaque contents. Intravascular and extravascular acquisitions were performed on carotid arteries of nine hypercholesterolemic minipigs with a 20 MHz catheter and a 7.5 MHz standard probe, respectively. Radial and axial strain values, reported by EVE and NIVE respectively, were correlated with histological area of lipid and calcium for five plaques. Our results demonstrate a good positive correlation between strains and calcified contents (r2=0.82, P-value=0.034 by EVE and r2=0.80, P-value= 0.041 by NIVE). Additionally, there is a strong correlation between axial strains and lipid contents by NIVE (r2=0.92, P-value= 0.010). In conclusion, NIVE and EVE are the potential techniques to identify plaque components and to help physicians to early diagnose the vulnerable plaques.

Il est maintenant admis que la composition de la plaque athérosclérotique est un déterminant majeur de sa vulnérabilité à se rompre. Vu que la composition de la plaque affecte ses propriétés mécaniques, l'évaluation locale des propriétés mécaniques de la plaque d'athérome peut nous informer sur sa vulnérabilité. L'objectif est de comparer les techniques d’élastographie ultrasonores endovasculaire (EVE) et non-invasive (NIVE) en fonction de leur potentiel à identifier les composantes calcifiées et lipidiques de la plaque. Les acquisitions intravasculaire et extravasculaire ont été effectuées sur les artères carotidiennes de neuf porcs hypercholestérolémiques à l’aide d’un cathéter de 20 MHz et d'une sonde linéaire de 7.5 MHz, respectivement. Les valeurs de déformation radiale et axiale, rapportés par EVE et NIVE, ont été corrélées avec le pourcentage des zones histologiques calcifiées et lipidiques pour cinq plaques. Nos résultats démontrent une bonne corrélation positive entre les déformations et les composantes calcifiées (r2 = 0.82, P = 0.034 valeur par EVE et r2 = 0.80, P = 0.041 valeur par NIVE). Une forte corrélation entre les déformations axiales et les contenus lipidiques par NIVE (r2 = 0.92, P-value = 0.010) a été obtenue. En conclusion, NIVE et EVE sont des techniques potentielles pour identifier les composants de la plaque et aider les médecins à diagnostiquer précocement les plaques vulnérables. / It is now widely accepted that plaque composition is a major determinant of plaque’s vulnerability to rupture. Since composition of the plaque affects its mechanical properties, the local assessment of mechanical properties of atherosclerotic plaque may inform us about plaque’s vulnerability. The objective is to compare ultrasonic endovascular elastography (EVE) versus non-invasive vascular elastography (NIVE) according to their potential to identify plaque contents. Intravascular and extravascular acquisitions were performed on carotid arteries of nine hypercholesterolemic minipigs with a 20 MHz catheter and a 7.5 MHz standard probe, respectively. Radial and axial strain values, reported by EVE and NIVE respectively, were correlated with histological area of lipid and calcium for five plaques. Our results demonstrate a good positive correlation between strains and calcified contents (r2=0.82, P-value=0.034 by EVE and r2=0.80, P-value= 0.041 by NIVE). Additionally, there is a strong correlation between axial strains and lipid contents by NIVE (r2=0.92, P-value= 0.010). In conclusion, NIVE and EVE are the potential techniques to identify plaque components and to help physicians to early diagnose the vulnerable plaques.

Les muscles infraépineux et petit rond sont cruciaux sur le plan fonctionnel et sont altérés dans le cadre des pathologies de la coiffe des rotateurs. La proportion de tissu graisseux dans l’infraépineux est actuellement un critère pronostic du résultat fonctionnel des réparations des lésions tendineuses de la coiffe des rotateurs. Les buts de ce travail sont de caractériser ces muscles sur le plan anatomique, de proposer une meilleure exploration de leur morphologie par IRM, d’utiliser l’analyse de texture informatique pour objectiver leur composition et enfin, d’utiliser l’élastographie ultrasonore pour analyser leur comportement viscoélastique en contrainte. L’infraépineux et le petit rond sont respectivement de conformation tripennée et parallèle. Les critères d’acquisition IRM de routine peuvent être aisément optimisés pour analyser plus précisément les muscles rotateurs externes. L’analyse de texture semble prometteuse pour évaluer la proportion de tissu graisseux dans le muscle squelettique. L’élastographie ultrasonore permet d’appréhender le degré d’anisotropie musculaire, et donc l’état d’organisation du muscle infraépineux. / Infraspinatus and teres minor muscles are crucial functionally and are regularly impaired in the context of of the rotator cuff pathology. The proportion of fatty tissue in the infraspinatus is currently a strong prognosis criterion of functional outcomes of rotator cuff tendon repair. The goals of this work are to characterize these muscles anatomically, to provide a better exploration of their morphology by MRI, to use computer texture analysis to objectify their composition and finally to use the ultrasound elastography for analysing their viscoelastic behaviour under stress. Infraspinatus and teres minor muscles have a tripennate and parallel organization, respectively. Routine MRI acquisition criteria can be easily optimized to analyse more precisely the external rotator muscles. Texture analysis seems promising to assess the proportion of fatty tissue in the skeletal muscle. The ultrasound elastography allows us to estimate the degree of muscle anisotropy, and therefore the state of organization of the infraspinatus muscle.

Dans le but d’améliorer le traitement des éventrations, cette thèse porte sur la biomécanique de la paroi abdominale. Plusieurs aspects de son comportement ont été étudiés: de la paroi globale aux constituants, de la paroi passive ex vivo sous chargement contrôlé à la paroi active in vivo sous chargement physiologique et enfin de la paroi saine des volontaires non-malades à la paroi lésée des patients en pré-opératoire. Un protocole a été développé pour évaluer la contribution des composants de la paroi abdominale humaine ex vivo à sa réponse mécanique globale. Les spécimens sont sollicités par pression après dissection successive des différents composants. L’analyse par stéréo-corrélation des déformations de la surface interne a montré que la gaine des rectus abdominis joue un rôle important dans la réponse de la paroi abdominale antérieure. Les examens in vivo ont permis de considérer la paroi abdominale in situ de 11 volontaires non-malades et pour la première fois de patients souffrant d’éventration (n=4) en pré-opératoire. Géométrie externe et interne, élasticité des muscles et raideurs locales ont été mesurées lors d’activités physiologiques. Les paramètres mécaniques mesurés sur les patients restent soit dans l’étendue de mesure des valeurs des volontaires non malades, soit sont plus faibles. Dans le futur, l’inclusion d’autres patients et des examens post-opératoires seront poursuivis. On disposera alors de données quantitatives de la paroi abdominale couvrant l’état sain, lésé et réparé. Des modèles numériques pourront être développés. Ils permettront d’estimer l’influence de paramètres mécaniques et géométriques sur le comportement de la paroi abdominale / This thesis focuses on the biomechanics of the abdominal wall in order to help improving the treatment of incisional hernias. Several aspects of its response werestudied: from global wall to components, from passive wall ex vivo subjected to controlled loading to active wall in vivo under physiological loading and finally from intact wall of healthy volunteers to incised wall of herniated patients before repair surgery. A protocol was developed to assess the contribution of the components of the human abdominal wall ex vivo to the global mechanical response. The specimens were loaded by air pressure after dissection of different components. The strain analysis of the internal surface by stereo-correlation highlighted the importance of the rectus abdominis sheath in the response of the anterior abdominal wall. The in vivo examinations considered the entire abdominal wall in situ of 11 healthy volunteers and for the first time herniated patients before surgery (n=4). External and internal geometry, muscle elasticity and local stiffness were measured during various physiological activities. Mechanical parameters measured on patients remain either in the range of values obtained with healthy volunteers or lower. In the future, the inclusion of other patients and post-operative examinations will be conducted. This will provide quantitative data for the healthy, incised and repaired abdominal wall and support the development of numerical models to estimate the influence of mechanical and geometrical parameters on the behavior of the abdominal wall