Le cancer est un problème de santé publique dans le monde entier et d'importantes ressources en soins de santé sont dépensées pour le diagnostic. Plus précoce sera le dépistage des tumeurs, meilleures sont les chances de rémission sans rechute. Les techniques d'imagerie permettent de suivre l'évolution du traitement et de réorienter la stratégie en cas d'échec. En combinaison avec des agents de contraste ciblés, les modalités d'imagerie permettent même de sonder les structures à l'échelle moléculaires ce qui pourrait laisser envisager un traitement personnalisé du cancer [1, 2]. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) et l'échographie sont deux techniques complémentaires et non invasives qui permettent la détection de plusieurs cancers (sein, colon, cerveau ...). L'échographie est rentable, portable et fournit, en temps reel, des informations anatomiques. L'IRM profite d'une pénétration profonde dans les tissus mous, d'un contraste élevé et d'une meilleure sensibilité que l'échographie [3]. Néanmoins, l'utilisation de ces techniques en combinaison avec des agents de contraste est difficile, surtout parce que la concentration locale atteint dans la tumeur est souvent inférieure à la plage de sensibilité de détection [4]. Au cours des 20 dernières années, les agents de contraste multifonctionnels ont été construits sur mesure pour atteindre une accumulation préférentielle dans les tissus malades [5]. Dans cette étude, des stratégies de ciblage passif et actif de la tumeur ont été envisagées pour renforcer la concentration locale de nanocapsules polymère, contenant un noyau liquide de bromure de perfluorooctyle (PFOB). L'approche de ciblage passif est basée sur l'effet de pénétration et la rétention accrue (EPR). Les nanocapsules doivent avoir un diamètre inférieur à 400nm une demi-vie plasmatique prolongée. L'approche de ciblage actif est basée sur la reconnaissance spécifique d'un ligand pour une cible biologique surexprimée par la tumeur ou la néovascularisation. Pour le ciblage passif, les nanocapsules ont été préparées avec PLGA-b-PEG par un procédé d'émulsion-évaporation. La morphologie cœur-couronne a été confirmée par RMN du Fluor et cryo microscopie électronique. La surface des nanocapsules est densément couverte par des chaînes de PEG qui adoptent une conformation en brosse, telle qu'évaluée par XPS et diffusion des neutrons aux petits angles. La furtivité des nanocapsules a été démontrée in vitro par des mesures d'activation du complément et in vivo par une étude cinétique de la capture hépatique, réalisée après l'administration intraveineuse de nanocapsules chez la souris nude. L'imagerie des tumeurs, par IRM du Fluor, a révélé que seulement 1% de la dose injectée a été accumulée dans le tissu malade. Par échographie aucun réhaussement du contraste n'a été observé. Ainsi, une autre approche de ciblage a été nécessaire afin d'augmenter l'accumulation des nanocapsules au sein de la tumeur. Les nanocapsules ont été fonctionnalisées avec un peptide RGD (Arginine-Glycine-Acide aspartique afin de cibler les intégrines avß3, qui sont des protéines transmembranaires surexprimées par les néovaisseaux. Deux stratégies, appelées bottom-up et top-down, ont été élaborées pour mener à une décoration satisfaisante du peptide à la surface des nanocapsules. L'efficacité du couplage a été mesurée par RMN du proton. La morphologie des nanocapsules a été étudiée par CryoTEM.

La ponction rénale percutanée est un geste d'urologie courant préliminaire à l'ablation de calculs. La taille réduite des cavités rénales, la présence de structures nobles, et l'information limitée que fournit l'imagerie interventionnelle, rendent complexe l'insertion de l'aiguille de ponction. En collaboration avec le service d'urologie de la Pitié-Salpêtrière, nous avons étudié la faisabilité d'un système d'assistance informatisée au geste de ponction. Notre travail a connu deux phases. D'abord, un protocole basé sur le triptyque planification/recalage/guidage a été validé ; il repose sur la segmentation manuelle des images scanner pré-opératoires et échographiques per-opératoires et sur un algorithme de recalage de nuages de points 3D. Dans un deuxième temps, une nouvelle méthode de recalage iconique permettant de s'affranchir des étapes de segmentation a été mise au point. Ces deux approches ont été mises en œuvre et expérimentées sur des fantômes, des pièces anatomiques et sur des données de patients. Nous en présentons les fondements et l'évaluation.

L'échographie est un outil qui s'impose de plus en plus dans le domaine des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur (GMCAO). Les médecins et les chirurgiens disposent en conséquence d'un excellent outil de travail qui les aide à planifier et surtout à réaliser des interventions chirurgicales. Pour cela, ils ont besoin également de logiciels automatiques et faciles à utiliser fondés sur d'algorithmes robustes, précis et rapides. L'objectif majeur de cette thèse est d'exploiter la dualité segmentation- recalage pour extraire de l'information pertinente des images échographiques. Cette information permettra ensuite le recalage automatique et précis des structures anatomiques contenues dans le modèle pré-opératoire issu de l'imagerie TDM/IRM et des données per-opératoires contenues dans les images échographique. Le résultat du recalage sera utilisé ultérieurement pour prêter assistance à un outil guidé par ordinateur. Dans une première partie, nous proposons des méthodes de filtrage, segmentation et calibrage des images échographiques. Un intérêt majeur a été accordé au développement des algorithmes de traitement robustes, précis et rapides. Une deuxième partie a été dédiée à la dualité segmentation-recalage et à la compensation des déformations élastiques des tissus mous. Des algorithmes de segmentation de haut niveau des images échographiques ont été développés. Ils se fondent sur la fusion des résultats fournis par la segmentation de bas niveau, des connaissances anatomiques a priori et de l'information apportée par le modèle pré-opératoire. La troisième partie est réservée à la description détaillée des applications et à l'interprétation des résultats. Les applications traitées sont : l'orthopédie du rachis - visée pédiculaire, l'orthopédie du bassin - visée sacro-iliaque, la radiothérapie de la prostate et la ponction d'un épanchement péricardique. Finalement, les développements futurs de cette approche sont discutés.

Ce mémoire concerne la télé-échographie robotisée, vue comme un ensemble de plusieurs modules (poste maître, poste esclave, communication, image, visio-conférence, retour haptique, etc.). Le travail s'inscrit dans le cadre de la conception, du développement et de l'évaluation d.un tel système et concerne plus spécialement le poste esclave. Une présentation générale de la télé-échographie robotisée est fournie afin d.ensuite se focaliser sur l'architecture du robot esclave dont deux prototypes TER1 et TER2 sont présentés. Le robot porte-sonde possède 6ddl (degrés de liberté). Le premier prototype peut être considéré comme un robot parallèle ayant une structure pour la translation du robot et une autre pour son orientation. Le deuxième prototype est considéré comme un robot hybride dont la structure pour la translation est un sous-système parallèle et celle de l.orientation peut être considérée comme une structure série. Les deux prototypes sont des robots non rigides avec transmission par câbles. Le coeur de ce travail concerne cette nouvelle architecture qui est proposée tout en respectant les consignes de légèreté, compliance et portabilité. En effet, un des objectifs de ce système est de pouvoir être utilisé là où d'habitude il n'existe pas d'experts médicaux qui puissent réaliser l'examen échographique. Un modèle géométrique inverse est développé pour chaque prototype afin de déduire les longueurs des câbles dont on peut déduire les déplacements (translation et orientation) du robot sur le corps du patient. Pour le premier prototype, une loi de commande du type PIDA (Proportionnelle, Intégrale et Dérivative avec un terme d'Anticipation) est utilisée. Le robot TER2 utilise une commande articulaire en boucle fermée. Des tests et des expériences in-vitro et in-vivo ont été réalisés et sont présentés dans ce mémoire, incluant des expériences locales et à distance (Grenoble-Toulouse, Grenoble-Brest, Grenoble-Toulon). Des résultats encourageants et l'avis favorable des médecins pour l'utilisation de ce type de système lors des expériences ont été obtenus

Dans cette thèse, nous apportons la contribution à la conception de robots médicaux, en proposant une démarche de conception simultanée de la structure mécanique du robot. Par opposition à une vision séquentielle naturelle de la conception, la formalisation du processus créatif permet une simultanéité, ouvrant la voie à des structures innovantes dédiées : en robotique médicale, faible masse et faible compacité de la structure mécanique sont souvent recherchées. A partir d'un descriptif de démarches existantes, nous effectuons la conception d'un robot de télé-échographie et d'un robot de chirurgie mini-invasive. Pour les deux applications, de fortes contraintes sont présentes. En télé-échographie, la portabilité est très recherchée, requérant une faible compacité. Pour la chirurgie mini-invasive, les moto-réducteurs du robot in vivo doivent être dimensionnés au plus juste. Ici, nous avons formalisé l'amélioration de la compacité d'une structure parallèle pour la télé-échographie. Les résultats montrent une amélioration de la compacité de l'ordre de 5%. Dans le même esprit, nous avons formalisé la synthèse dimensionnelle de deux robots 2R-R-R de chirurgie mini-invasive in vivo. Nous réalisons l'optimisation simultanée entre le dimensionnement des moto-réducteurs et des longueurs des corps pour tendre vers une simultanéité totale du processus créatif, ce qui nous permet d'améliorer les performances en termes de force et vitesse à l'effecteur. Ces expériences de conception montrent les limites à une simultanéité stricte. Nous indiquons le besoin d'adapter outils et méthodes de conception mécatronique pour une simultanéité en conception robotique tenant compte de l'aspect imparfait du processus créatif.

L'otite moyenne est une condition fréquente chez le veau et peut parfois être subclinique, rendant difficile son diagnostic à la ferme. L'objectif de cette étude est d’estimer la sensibilité et la spécificité de l'échographie des bulles tympaniques pour le diagnostic d'otite moyenne clinique et subclinique et de déterminer sa répétabilité. Quarante veaux âgés entre 19 et 50 jours ont été sélectionnés dans une ferme de veaux de grain, en fonction des résultats de l'échographie réalisée à la ferme (A). L'échographie a été réalisée une seconde fois par le même échographiste (A') et par un second échographiste (B), et le diagnostic noté pour chaque bulle tympanique comme étant négatif, suspect ou positif. Les images ont été enregistrées pour relecture et le diagnostic noté. Les veaux ont été euthanasiés, soumis en nécropsie et l'histologie a été utilisée comme méthode de référence. À l'histologie, 45 bulles tympaniques étaient atteintes d'otite moyenne et 35 bulles tympaniques étaient saines. Selon l'échographiste et la classification des bulles tympaniques suspectes, la sensibilité de l'échographie variait de 32% à 63% et la spécificité variait de 84% à 100%. La répétabilité était modérée, avec des valeurs de kappa de 0,53 entre A' et B, de 0,48 entre A et A', et de 0,58 et 0,75 pour la relecture de leurs images par A' et B respectivement. / Otitis media is a common disease in calves but can remain subclinical, making diagnosis challenging on the farm. The objective of this study is to estimate the sensitivity and specificity of the ultrasound imaging technique of tympanic bulla for the diagnosis of clinical and subclinical otitis media, and to determine its repeatability. Forty calves 19-50 days of age were selected from a veal calf farm, on the basis of results of ultrasound examination performed on the farm (A). Ultrasound examination was performed a second time by the same ultrasonographer (A') and by another ultrasonographer (B), and diagnosis was recorded for both tympanic bulla as negative, suspicious or positive. Images were recorded for further re-reading. Calves were euthanized and submitted for necropsy, and histopathologic diagnosis was used as gold standard. Based upon histology, 45 bullae were affected with otitis media and 35 bullae were unaffected. Depending on ultrasonographer and on classification of suspicious bullae, sensitivity varies from 32% to 63% and specificity varies from 84% to 100%. Repeatability is moderate, with kappa values of 0.53 for A'-B, 0.48 for A-A', and 0.58 and 0.75 for re-reading of A' and B, respectively.

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée. / Clinical diagnosis of cardiovascular disease is dominated by colour-Doppler ultrasound despite its limitations: angle-dependent velocity measurements and low frame-rate from conventional focusing. Two studies, varying in their approach, address these limitations using plane-wave imaging, post-processed with the delay-and-sum and autocorrelation methods. The aim of this study is to re-implement these methods, investigating some parameters which affect blood velocity estimation accuracy using 2D vector-Doppler. Through in vitro experimentation on stationary parabolic flow, using a Verasonics system, four parameters were tested on mapping accuracy: number of tilts per orientation, ensemble length for single titled images, cycles per transmit pulse, and orientation angle at various flow-rates. The optimal estimates were found for 7 compounded tilts per image, oriented at ±15° with 6 cycles per pulse. Reconstruction accuracies were comparable to conventional Doppler; however, maintaining frame-rates more than 10 to 20 times faster, allowing better characterization of fast transient events requiring higher temporal resolution.

Ce travail de thèse étudie la production de la parole à l'âge de 4 ans, en comparaison avec l'adulte, sous l'angle du contrôle moteur. Un intérêt particulier a été porté à deux indices : la variabilité liée à la répétition de voyelles isolées et la coarticulation anticipatoire intra et extra-syllabique dans le cadre de la production de séquences de type V1-C-V2. Des données acoustiques et articulatoires ont été enregistrées via l'échographie linguale et le dispositif HOCUS. Les données acoustiques ont été analysées pour 20 enfants et 10 adultes et les données articulatoires ont été analysées pour 6 de ces enfants et 2 de ces adultes. En accord avec de nombreuses études de la littérature, la variabilité liée à la répétition est plus importante chez les enfants que chez les adultes. Une forte anticipation de V2 dans la réalisation de V1 a été observée pour tous les adultes. Chez les enfants, cette anticipation n'est pas systématique, et lorsqu'elle est observée, elle est d'amplitude plus faible que chez les adultes. Ainsi, seulement 5 enfants parmi les 20 étudiés montrent des signes d'anticipation, majoritairement dans la dimension antéropostérieure, manifestée dans l'espace acoustique par la dimension F2. La coarticulation anticipatoire intra-syllabique semble également être d'amplitude plus faible chez les enfants. Enfin, les gestes de parole des enfants sont plus lents que ceux des adultes. Dans leur ensemble, ces résultats sont interprétés comme la preuve de l'immaturité du système moteur pour la production de la parole chez l'enfant, selon deux perspectives : des patrons moteurs insuffisamment stables pour la production de gestes vocaliques et un manque d'efficacité dans l'anticipation les gestes futurs lors de la production d'une séquence de sons de parole. Selon une perspective empruntée aux théories du contrôle moteur optimal, nous proposons que la coarticulation anticipatoire repose sur l'usage de modèles internes, représentations sensori-motrices du système moteur de la parole dans le système nerveux central, et que son amplitude reflète la maturation progressive de ces représentations sensori-motrices à mesure que la production de la parole se développe. / This thesis work investigates speech production in 4-year-old children, in comparison with adults, from a speech motor control perspective. It focuses on two indices: measures of token-to-token variability in the production of isolated vowels and on anticipatory intra and extra-syllabic coarticulation within V1-C-V2 sequences. Acoustic and articulatory data were recorded thanks to ultrasound tongue imaging within the HOCUS system. Acoustic data from 20 children and 10 adults have been analyzed. Ultrasound data have been analyzed from a subset of these participants: 6 children and 2 adults. In agreement with former studies, token-to-token variability was greater in children than in adults. Strong anticipation of V2 in V1 realization was found in all adults. In children, anticipation was not systematic, and when observed, it was of smaller amplitude than in adults. In more details, only 5 children among the 20 studied showed a small amount of anticipation, mainly along the antero-posterior dimension, manifested in the acoustic F2 dimension. Anticipatory intra-syllabic coarticulation also seems to be of smaller amplitude in children than in adults. Last, children's speech gestures are slower than those of adults. These results are interpreted as evidence for the immaturity of children's speech motor control from two perspectives: insufficiently stable motor control patterns for vowel production, and a lack of effectiveness in anticipating forthcoming gestures. In line with theories of optimal motor control, we assume that anticipatory coarticulation is based on the use of internal models, i.e. sensori-motor representations of the speech production apparatus in the central nervous system, and that the amplitude of anticipatory coarticulation reflects the increasing maturation of these sensori-motor representations as speech develops.

En pratique clinique, les résultats de l’Anesthésie Loco-Régionale diffèrent parfois notablement de ceux prévus par les traités d’anatomie. Le but de notre travail a été de montrer que les nerfs musculocutané (MC) et cutanémédial de l’avant-bras (CMAB) participent fréquemment à l’innervation cutanée de la paume de la main. L’analyse multivariée de 551 patients opérés du canal carpien a révélé que l’absence de bloc du nerf MC était associée aux échecs de l’ALR. Pourtant, ce résultat était en partie masqué par une fréquente diffusion d’anesthésique local du nerf médian vers le nerf MC au bras, comme le prouve l’étude échographique de l’anatomie des nerfs au creux axillaire chez 387 autres patients. Une cartographie du territoire cutané des nerfs MC (N=28) et CMAB (N=2l) à la face antérieure de la main et du poignet a révélé des territoires bien plus étendus que ceux décrits dans la littérature. Les microdissections de ces 2 nerfs sur 23 membres supérieurs ont permis d’associer les différents types de territoires décrits lors des cartographies à diverses configurations anatomiques. Il convient donc d’anesthésier ces deux nerfs pour toute chirurgie de la paume de la main. / In daily practice, the extent of peripheral nerve blockade often differs from the one predicted by referencetextbooks. In this work, we strived to demonstrate that musculocutaneous (MC) and medial antebrachialcutaneous (MABC) nerves participate frequently in the palm innervation. A multivariate analysis of 551 patients operated from carpal tunnel release showed that the absence of MC nerve block was associated with anesthesia failure. Yet, these results were minimized by frequent local anesthetic diffusion from the median nerve to the MC one at the arm, as demonstrated by our anatomical study of the nerves in 387 ultrasound guided axillary blocks. Cutaneous territory mapping of MC (N28) and MABC (N=2 1) nerves revealed their territories were far more extended than the ones described in reference textbooks. Microdissections of these nerves on 23 upper limbs allow to associate the different types of territories with several anatomical patterns. Therefore, MC and MABC nerve should be blocked when considering any palm surgery.

La transduction électrostatique est utilisée depuis plusieurs décennies dans les fréquences du domaine audible, principalement sous la forme de microphones membranaires. La transposition du même principe de transduction, mais dans un domaine de fréquence au-dessus du MHz, et par l’utilisation de dispositifs micro-usinés, c'est-à-dire produits à l’aide de technologies de photolithographie, a été proposée à partir de la fin des années 1990. Ces transducteurs, désignés sous l’acronyme cMUT (capacitive micromachine ultrasonic transducers), se composent d’un assemblage de transducteurs élémentaires, chacun possédant une partie mobile conventionnellement appelée diaphragme ou membrane, actionnée par la pression électrostatique. Cette thèse s’inscrit dans le développement de transducteurs de ce type destinés au domaine de l’imagerie médicale ultrasonore. Ce secteur d’application utilise actuellement des transducteurs basés sur des céramiques (ou, dans certains cas précis, des polymères) piézoélectriques. Le cMUT est intéressant dans certains sous-domaines d’application des ultrasons médicaux en raison de sa bonne adaptation à une production en grande série, de son intégration plus facile avec des éléments électroniques, de son faible échauffement et de l’absence de matériaux toxiques dans son processus de fabrication. La partie théorique de cette thèse repose sur une approche de modélisation par différences finies. Un modèle basé sur la théorie des plaques minces est développé pour prendre en compte la mécanique du transducteur élémentaire cMUT (c'est-à-dire d’un seul diaphragme). Ce modèle est ensuite complété par l’intégration de l’effet d’un chargement acoustique par un fluide. De façon à modéliser un transducteur entier, il est nécessaire de prendre en compte le couplage acoustique existant entre les différentes membranes. Pour rendre cela possible, un circuit équivalent, permettant de réduire chaque membrane à un système à un seul degré de liberté, est développé. Il est validé en le comparant au modèle de différences finies dans des cas où celui-ci peut être utilisé. Les travaux expérimentaux ont fait appel principalement aux deux techniques de caractérisation suivantes : les mesures d’impédance électrique, et les mesures de déplacement effectuées par interférométrie laser. Ces mesures ont été utilisées dans une double optique. D’une part, dans un objectif de caractérisation, ils ont permis de vérifier la fonctionnalité des dispositifs fabriqués et d’évaluer leurs performances. D’autre part, en comparant différentes configurations entre elles, ils ont rendu possible une validation expérimentale du modèle qui a été mis au point. / Electro-acoustic transduction based on electrostatic force has a long history in the range of audible frequencies, mainly as membrane-based microphones. Starting in the late 1990’s, it has been proposed to use the same principle in the multi-MHz frequency domain, thanks to micro-machined devices – meaning they’re produced through lithography technology. Such transducers, known as cMUT for capacitive micromachine ultrasonic transducers, are made of an assembly of elementary vertically mobile cells, usually designated as membranes, driven by electrostatic force. This PhD work is part of the development of this kind of transducers designed for medical imaging applications. This area currently uses transducers based on piezoelectric ceramics (or piezoelectric polymers for some peculiar cases). CMUT is an interesting alternative for some subdomains of medical ultrasound applications, due to its volume production ability, its easier integration with electronic elements, its low heat dissipation and the absence of toxic materials.