À cause de difficultés d’observations, les recherches passées en biomécanique de l’abdomen soumis aux chocs se sont essentiellement limitées à la description de comportements externes. Cette étude s’intéresse au comportement interne d’organes abdominaux à l’aide de techniques récentes : l’échographie ultrarapide et l’élastographie par ondes de cisaillement. Tout d’abord, l’effet de conditions de perfusion sur la géométrie et le module de cisaillement interne de reins de porc ex vivo a été évalué. L’effet considérable de la pression appliquée a été observé, avec 80mmHg en artère conduisant à l’état le proche de l’in vivo. Ensuite, à l’aide de l’échographie ultrarapide, les comportements internes de reins porcins et humains dans cet état de référence ont été observés lors de compressions à des vitesses entre 0.08 et 8 s-1. Si pour le porc, la partie centrale (bassinet) se déforme plus, le rein humain a semblé avoir une déformation plus homogène. Enfin, à partir des résultats, un nouveau protocole a permis d’observer les comportements du côlon et du foie in situ lors d’impacts sur trois sujets d’anatomie. Dans l’ensemble, cette étude montre ainsi la possibilité de quantifier la relation entre chargement externe et interne grâce à l’échographie ultrarapide lors d’impacts / Due to limitations of observation techniques, past researches in impact biomechanics on the abdomen have been mostly limited to the description of the externals responses. This study focuses on the internal response of abdominal organs using recent observation techniques: ultrafast ultrasound imaging and shearwave elastography. First, the effects of perfusion conditions on the geometrical and internal shear moduli of ex vivo porcine kidneys were evaluated. The considerable effect of the applied pressure was observed, with 80mmHg in artery being closest to the in vivo state. Then, the internal responses of porcine and human kidneys were observed during compressions (rates: 0.08 to 8s-1). If in the porcine specimen the central part (pelvis) deformed the most, the human kidney seemed to have a more homogenous response. Finally, a protocol was developed to observe the responses of the colon and the liver in situ during impacts performed on three post mortem human subjects. Overall, this study demonstrates the possibility to establish a link between external and internal responses during impact using ultrafast ultrasound imaging

Le guidage robotisé d'une aiguille a été le sujet de nombreuses recherches ces dernières années afin de fournir une assistance aux cliniciens lors des procédures médicales d'insertion d'aiguille. Cependant le contrôle précis et robuste d'un système robotique pour l'insertion d'aiguille reste un grand défi à cause de l'interaction complexe entre une aiguille flexible et des tissus ainsi qu'à cause de la difficulté à localiser l'aiguille dans les images médicales. Dans cette thèse nous nous concentrons sur le contrôle automatique de la trajectoire d'une aiguille flexible à pointe biseautée en utilisant la modalité échographique comme retour visuel. Nous proposons un modèle 3D de l'interaction entre l'aiguille et les tissus ainsi qu'une méthode de suivi de l'aiguille dans une séquence de volumes échographiques 3D qui exploite les artefacts visibles autour de l'aiguille. Ces deux éléments sont combinés afin d'obtenir de bonnes performances de suivi et de modélisation de l'aiguille même lorsque des mouvements des tissus sont observés. Nous développons également une approche de contrôle par asservissement visuel pouvant être adaptée au guidage de différents types d'outils longilignes. Cette approche permet d'obtenir un contrôle précis de la trajectoire de l'aiguille vers une cible tout en s'adaptant aux mouvements physiologiques du patient. Les résultats de nombreux scénarios expérimentaux sont présentés et démontrent les performances des différentes méthodes proposées. / The robotic guidance of a needle has been the subject of a lot of research works these past years to provide an assistance to clinicians during medical needle insertion procedures. However, the accurate and robust control of a needle insertion robotic system remains a great challenge due to the complex interaction between a flexible needle and soft tissues as well as the difficulty to localize the needle in medical images. In this thesis we focus on the ultrasound-guided robotic control of the trajectory of a flexible needle with a beveled-tip. We propose a 3D model of the interaction between the needle and the tissues as well as a needle tracking method in a sequence of 3D ultrasound volumes that uses the artifacts appearing around the needle. Both are combined in order to obtain good performances for the tracking and the modeling of the needle even when motions of the tissues can be observed. We also develop a control framework based on visual servoing which can be adapted to the steering of several kinds of needle-shaped tools. This framework allows an accurate placement of the needle tip and the compensation of the physiological motions of the patient. Experimental results are provided and demonstrate the performances of the different methods that we propose.

L’appendicite aiguë est la pathologie abdominale aiguë courante et la plus fréquente parmi celles qui nécessitent une intervention chirurgicale rapide. L’imagerie occupe une place croissante dans son diagnostic parce qu’elle tente d’éviter simultanément les appendicectomies inutiles et les perforations appendiculaires compliquées de péritonite tout en recherchant des pathologies alternatives. Si plusieurs techniques d’imagerie sont disponibles – dont la radiographie sans préparation de l’abdomen (dont la performance est faible) et l’imagerie par résonance magnétique (peu disponible, en particulier en urgence) – l’ultrasonographie (US) et la tomodensitométrie (TDM) occupent des positions centrales. Nos études ont investigué la performance de ces dernières, en considérant notamment la réduction de la dose d’irradiation et le recours aux contrastes artificiels. En effet, l’irradiation liée à l’usage de la TDM est à considérer puisque les patients souffrant d’appendicite aiguë sont jeunes (en moyenne 30 ans) tout comme le recours aux contrastes associé à des coûts, de l’inconfort et des risques. Enfin, la performance de ces techniques étant susceptibles d’être influencée par la corpulence des patients et leur quantité de graisse intra-abdominale, l’influence de ces paramètres sur la performance a été évaluée.<p><p>A travers quatre études, nous avons montré que l’US et la TDM sans contraste IV ou entérique ont des performances similaires quant au diagnostic d’appendicite aiguë et de pathologies alternatives, indépendamment de l’expérience du radiologue et de la corpulence du patient. Néanmoins, les examens non concluants (sans diagnostic d’appendicite aiguë ni de pathologie alternative mais où l’appendice n’est pas vu) sont plus fréquents en US qu’en TDM. L’appendice normal, dont la visualisation permet d’exclure le diagnostic d’appendicite aiguë, est plus fréquemment visible en TDM qu’en US, mais en TDM la reproductibilité quant à considérer la même structure comme étant l’appendice dépend du lecteur. L’injection IV de contraste iodé n’augmente pas la proportion d’appendices détectés mais la reproductibilité d’un lecteur particulier. Aucune caractéristique du sujet ni de son appendice, y compris son environnement abdominal, ne permet de prédire cette reproductibilité. La performance de la TDM est constante quelle que soit la dose d’irradiation ou le recours au contraste IV et/ou entérique, indépendamment de la corpulence du patient. La hiérarchie de l’information apportée par les signes évocateurs d’appendicite aiguë n’est pas influencée par la dose; l’infiltration de la graisse péri-appendiculaire et le diamètre appendiculaire en étant les signes les plus prédictifs, malgré le moindre rapport signal/bruit de l’image générée à faible dose. La fréquence de visualisation de l’appendice est aussi indépendante de cette dose. L’exactitude du diagnostic dépend principalement du lecteur mais pas du contraste – quelle qu’en soit la voie d’administration (orale ou IV) – ni de la dose d’irradiation. Le genre du patient influence cependant cette exactitude, le diagnostic étant plus fréquemment correct chez l’homme que chez la femme, en particulier dans les pathologies alternatives.<p><p>En conclusion, comme les techniques US et TDM que nous avons investiguées ont des performances équivalentes, les risques associés à l’irradiation et au contraste doivent intervenir dans leur choix. L’US, utilisée en première intention, devrait être complétée par la TDM si son résultat n’est pas concluant. Dans ce cas, la TDM devrait être réalisée, toujours à basse dose d’irradiation, d’abord sans puis, si nécessaire, avec contraste IV et/ou oral.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Le syndrome du défilé thoracique se définit par la compression du plexus brachial et/ou des vaisseaux subclaviers, à leur traversée dans l'étroit passage constitué par le défilé inter-scalénique - entre les muscles scalènes, l’espace costo-claviculaire et l'espace rétro-pectoral - pour atteindre le creux axillaire. Les symptômes peuvent être à prédominance artérielle, veineuse et/ou neurologique selon la structure impliquée. Malheureusement, le syndrome du défilé thoracique demeure controversé par son manque de critères diagnostiques acceptables. De ce fait, les tests orthopédiques utilisés pour diagnostiquer ce syndrome sont régulièrement remis en question. Ce mémoire de recherche vise à répondre à la problématique majeure entourant le syndrome du défilé thoracique : « Est-ce que les tests orthopédiques utilisés en clinique pour diagnostiquer ce syndrome sont valides ? » Au préalable, nous chercherons à identifier la qualité des articles pertinents sur le sujet à travers une revue de la littérature diagnostique. Ensuite, la validité des tests orthopédiques sera vérifiée à l’aide d’un appareil à échographie doppler lors d’une étude clinique. Les retombées de ce projet de recherche sont multiples pour les cliniciens. Tout d’abord, il pourra aider à clarifier ce syndrome controversé tout en offrant une meilleure connaissance de la qualité des articles publiés jusqu’à présent sur le sujet. Enfin, les résultats de l’étude clinique sur la validité des tests orthopédiques permettront d’améliorer l’utilisation des tests par le clinicien et ainsi, l’aider à poser un meilleur diagnostic. / Thoracic outlet syndrome (TOS) is defined as a neurovascular syndrome associated with compression of the brachial bundle (brachial plexus and/or subclavian vessels). Patients may have a compression of one structure or a combination of neurovascular symptoms, which can complicate the diagnosis. Based on the clinical presentation, the clinician often performs selected provocative tests to identify a site of compression of the brachial bundle specific to a type of TOS to confirm the syndrome and propose a management plan. However, due to the lack of accepted criteria for the diagnosis of TOS, test results may be unable to confirm or rule out the presence of the syndrome. This has important implications for the generalization of results relating to test performance. The purpose of this thesis was to establish the validity of orthopedic tests commonly used to diagnose a thoracic outlet syndrome. A systematic literature review was first conducted on the subject. Afterward, a clinical research on the accuracy of commonly used orthopedic tests used in practice was done using an echography Doppler machine. A better understanding of the validity of these tests should improve the clinical diagnosis and help define a clear plan of management. The advantages offered by this research project are multiple for clinicians, the study provides a better understanding of this controversial syndrome, knowledge on the quality of the research done up until now and lastly, clinicians have a better understanding of the validity of TOS orthopedic tests in an objective to help improve its diagnosis.

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.

Contexte: Le syndrome de détresse respiratoire aigüe (SDRA) est associé à une dysfonction vasculaire pulmonaire. Objectifs: Préciser le retentissement cardiaque de cette dysfonction vasculaire pulmonaire en recherchant la fréquence et le pronostic du foramen ovale perméable, du passage transpulmonaire de bulles en échographie de contraste, du cœur pulmonaire aigu (CPA), de la dysfonction systolique ventriculaire droite ainsi que de la déformation ventriculaire gauche au cours du SDRA. Nous avons aussi évalué la tolérance hémodynamique de la ventilation en Pression Expiratoire Positive (PEP) élevée. Méthodes: Les explorations étaient menées par échographie trans-œsophagienne (ETO) traditionnelle et en signature acoustique. Résultats: La faisabilité de l'ETO en décubitus ventral est bonne. Le foramen ovale perméable, détecté chez 19% des patients, est associé à une moins bonne réponse à l'augmentation de la PEP et à un recours aux thérapeutiques de sauvetage plus fréquent. Le passage de bulles transpulmonaire ne rend pas compte du seul shunt intra-pulmonaire anatomique, et dépend plus des conditions hémodynamiques (augmentation du débit cardiaque associée au sepsis) que de la ventilation. Le CPA, retrouvé chez 22% des patients, est associé à une pression motrice plus élevée, et au sepsis ; il est fréquemment associé à une insuffisance circulatoire, avec une mortalité plus élevée à J28. La quantification de la déformation ventriculaire gauche systolique par l'index d'excentricité est un bon marqueur de CPA, mais pas la dysfonction contractile ventriculaire droite évaluée en signature acoustique. Enfin, nous n'avons pas retrouvé de lien robuste entre la tolérance hémodynamique et l'efficacité respiratoire (recrutement alvéolaire) des niveaux de PEP élevés, sous réserve d'un nombre limité de patients. Conclusion: Les conséquences cardiaques de la dysfonction vasculaire pulmonaire restent fréquentes et associées à un pronostic péjoratif, avec des implications respiratoires et circulatoires. / Context: Acute respiratory distress syndrome (ARDS) leads to pulmonary vascular dysfunction Aims: We assessed cardiac consequences of pulmonary vascular dysfunction by detecting patent foramen ovale and transpulmonary bubbles transit using contrast echocardiography, acute cor pulmonale, right ventricle systolic dysfunction and left ventricle deformation during ARDS. We also assessed hemodynamic tolerance of high positive end expiratory pressure (PEEP). Methods: Transesophageal echocardiography (TEE) was performed with standard measurements and speckle tracking. Results: TEE could be safely performed in prone position. Patent foramen ovale was detected in 19% of patients, and was associated with a poor oxygenation response to PEEP, and greater use of adjunctive interventions. Transpulmonary bubbles transit was not solely related to anatomical intrapulmonary shunt, but was merely influenced by hemodynamic status (increased cardiac output associated with sepsis). Acute cor pulmonale occurred in 22% of patients, and was associated with a higher driving pressure and with sepsis; it was often associated with circulatory failure, with higher day-28 mortality. Left ventricle systolic deformation (evaluated by eccentricity index) but not right ventricle contractile impairment (evaluated with speckle tracking) was associated with acute cor pulmonale. Finally, we did not find a robust relation between hemodynamic tolerance and alveolar recruitment with higher PEEP levels, but the limited number of patients restricted the power of the analysis. Conclusion: Cardiac consequences of pulmonary vascular dysfunction remain frequent and associated with a poorer prognosis, with respiratory and circulatory implications.

En démontrant sa capacité d’identifier les pneumothorax, de différencier les différentes causes d’insuffisance respiratoire chez les patients dyspnéiques et de confirmer la position d’un tube endotrachéal lors d’une intubation endotrachéale, l’échographie pulmonaire a pris une place prépondérante dans la prise en charge des patients de soins critiques. La majorité des études, notamment celles sur l’intubation endotrachéale, ont évalué la performance de cliniciens possédant une expérience considérable en échographie pulmonaire et souvent dans un cadre idéal permettant des examens d’une durée prolongée. Considérant la disponibilité grandissante de l’échographie ciblée lors des situations de stabilisation et de réanimation des patients de soins critiques, nous voulions évaluer la capacité d’un groupe de clinicien hétérogène en termes de formation échographique à identifier la présence ou l’absence de glissement pleural sur de courtes séquences (comparable à la durée probable d’un examen lors de condition de réanimation) d’échographie pulmonaire enregistrées chez des patients intubés. Un total de 280 courtes séquences (entre 4 et 7 secondes) d’échographie pulmonaire démontrant la présence ou l’absence de glissement pleural chez des patients intubés en salle d’opération ont été enregistrées puis présentées de façon aléatoire à deux groupes de cliniciens en médecine d’urgence. Le deuxième groupe avait la possibilité de s’abstenir advenant une incertitude de leur réponse. Nous avons comparé la performance selon le niveau de formation académique et échographique. Le taux moyen d’identification adéquate de la présence ou l’absence du glissement pleural par participant était de 67,5% (IC 95% : 65,7-69,4) dans le premier groupe et 73,1% (IC 95% : 70,7-75,5) dans le second (p<0,001). Le taux médian de réponse adéquate pour chacune des 280 séquences était de 74,0% (EIQ : 48,0-90,0) dans le premier groupe et 83,7% (EIQ : 53,3-96,2) dans le deuxième (p=0,006). Le taux d’identification adéquate de la présence ou absence d’un glissement pleural par les participants des deux groupes était nettement supérieur pour les séquences de l’hémithorax droit par rapport à celles de l’hémithorax gauche (p=0,001). Lorsque des médecins de formation académique et échographique variable utilisent de courtes séquences d’échographie pulmonaire (plus représentatives de l’utilisation réelle en clinique), le taux d’identification adéquate de la présence ou l’absence de glissement pleural est plus élevé lorsque les participants ont la possibilité de s’abstenir en cas de doute quant à leur réponse. Le taux de bonnes réponses est également plus élevé pour les séquences de l’hémithorax droit, probablement dû à la présence sous-jacente du cœur à gauche, la plus petite taille du poumon gauche et l’effet accru du pouls pulmonaire dans l’hémithorax gauche. Considérant ces trouvailles, la prudence est de mise lors de l’utilisation de l’identification du glissement pleural sur de courtes séquences échographique comme méthode de vérification de la position d’un tube endotrachéal lors d’une intubation endotrachéale, et ce, particulièrement pour l’hémithorax gauche. Aussi, une attention particulière devrait être mise sur la reconnaissance du pouls pulmonaire lors de l’enseignement de l’échographie pulmonaire. / The field of targeted lung ultrasound in critical care is in constant expansion. Its many proven use include pneumothorax diagnosis, differentiation of the different causes of acute dyspnoea and endotracheal intubation confirmation. These studies on endotracheal intubation evaluated sonographers with extensive ultrasound training using sometimes lengthy exam. Hence, with the growing presence of bedside lung ultrasound we devised a study to evaluate the capacity of a heterogeneous group of physicians, with different levels of ultrasound training, to correctly identify lung sliding on random short sequences of recorded thoracic ultrasound. 280 short ultrasound sequences (4 to 7 seconds) of present and absent lung sliding of intubated patients recorded in the operating room were randomly presented to 2 groups of physicians. Descriptive data, mean accuracy of each participant, as well as the rate of correct answers for each of the sequences was measured and compared for different subgroups. Participants in the second group where instructed that they could abstain from answering in uncertain cases. Mean accuracy was 67.5% (95%CI: 65.7-69.4) in the first group and 73.1% (95%CI: 70.7-75.5) in the second (p<0.001). When considering each sequence individually, median accuracy was 74.0% (IQR: 48.0-90.0) in the first group and 83.7% (IQR: 53.3-96.2) in the second (p=0.006). The rate of correct answer was higher for right hemithorax sequences (p=0.001). Accuracy in lung sliding identification is better when participants have the possibility to abstain themselves from answering in uncertain cases. It is also improved in the right hemithorax, probably owing to the presence of the heart and the lung pulse artefact in the left hemithorax. Considering our results, caution should be taken when using short ultrasound sequences for identifying lung sliding as a mean of confirming endotracheal intubation, particularly in the left hemithorax. Emphasis should also be put on knowledge and identification of the Lung pulse artefact when teaching chest ultrasound curriculum.

Objectif: Lors de l’ablation de tumeurs cérébrales, la navigation chirurgicale est basée sur les examens IRM pré-opératoires. Or, la déformation per-opératoire du cerveau, appelée brain-shift, affecte cette navigation. Dans cette thèse, une méthode de compensation du brain-shift intégrable dans un processus clinique est présentée.Méthode: Avant la chirurgie, un modèle biomécanique patient-spécifique est construit à partir des images pré-opératoires. Il intègre la géométrie des tissus mous mais également des vaisseaux. Pendant l’opération, des acquisitions échographiques localisées sont réalisées directement en contact avec le cerveau. Les modalités mode B et Doppler sont enregistrées simultanément, permettant respectivement l’extraction des vaisseaux et de l’empreinte de la sonde. Une simulation biomécanique est ensuite jouée pour compenser le brain-shift. Différentes contraintes sont appliquées au modèle de cerveau afin de modéliser les contacts avec la dure-mère, recaler les vaisseaux pré- et per-opératoires et contraindre la surface corticale avec l’empreinte de la sonde. Lors de la résection de tumeurs profondes, la trajectoire chirurgicale est également contrainte au sein de la cavité réséquée afin de retrouver les déformations latérales induites par l’écartement des tissus. Les images IRM pré-opératoires ont finalement mises à jour suivant le champ de déformation du modèle biomécanique.Résultats: La méthode a été évaluée quantitativement à partir de données synthétiques et cliniques de cinq patients. De plus, l’alignement des images a également été apprécié qualitativement, au regard des attentes des neurochirurgiens. Des résultats très satisfaisants, de l’ordre de 2 mm d’erreur, sont obtenus à l’ouverture de la dure-mère et dans le cas de résection de tumeurs en surface. Lors de la résection de tumeurs profondes, si la trajectoire chirurgicale permet de retrouver une grande partie des déformations induites par l’écartement des tissus, plusieurs limitations dues au fait que cette rétraction ne soit pas effectivement simulée sont montrées.Conclusion: Cette thèse propose une nouvelle méthode de compensation du brain-shit efficace et intégrable au bloc opératoire. Elle aborde de plus le sujet peu traité de la résection, en particulier de tumeurs profondes. Elle présente ainsi une étape supplémentaire vers un système optimal en neurochirurgie assistée par ordinateur. / Purpose: During brain tumor surgery, planning and guidance are based on preoperative MR exams. The intraoperative deformation of the brain, called brain-shift, however affect the accuracy of the procedure. In this thesis, a brain-shift compensation method integrable in a surgical workflow is presented.Method: Prior to surgery, a patient-specific biomechanical model is built frompreoperative images. The geometry of the tissues and blood vessels is integrated. Intraoperatively, navigated ultrasound images are performed directly in contact with the brain. B-mode and Doppler modalities are recorded simultaneously, enabling the extraction of the blood vessels and probe footprint, respectively. A biomechanical simulation is then executed in order to compensate for brain-shift. Several constraints are imposed to the biomechanical model in order to simulate the contacts with the dura mater, register the pre- and intraoperative vascular trees and constrain the cortical surface with the probe footprint. During deep tumors resection, the surgical trajectory is also constrained to remain inside the cavity induced by the resected tissues in order to capture the lateral deformations issued from tissues retraction. Preoperative MR images are finally updated following the deformation field of the biomechanical model.Results: The method was evaluated quantitatively using synthetic and clinical data. In addition, the alignment of the images was qualitatively assessed with respect to surgeons expectations. Satisfactory results, with errors in the magnitude of 2 mm, are obtained after the opening of the dura mater and for the resection of tumors close to the cortical surface. During the resection of deep tumors, while the surgical trajectory enable to capture most of the deformations induced by tissues retraction, several limitations reflects the fact that this retraction is not actually simulated.Conclusion: A new efficient brain-shift compensation method that is integrable in an operating room is proposed in this thesis. The few studied topic of the resection, and more specifically of deep tumors, is also addressed. This manuscript thus present an additional step towards an optimal system in computer assisted neurosurgery.

Pertinence. Les névromes entraînent souvent des douleurs neuropathiques (DN) au membre résiduel (MR) chez les personnes amputées. Objectifs. (1) décrire la fréquence et la localisation des névromes avec l'imagerie musculosquelettique par ultrasonographie (IMU); (2) caractériser les névromes avec des biomarqueurs géométriques, de luminosité, de texture et d’hyperémie à l’IMU ; (3) déterminer l'association entre la DN et des mesures de résultats sociodémographiques, prothétiques, fonctionnels et de participation, et (4) évaluer l'association entre la DN, les biomarqueurs et la symptomatologie à la compression du névrome. Méthode. Vingt-trois participants avec amputations transtibiales ont complété des questionnaires avant d’être évalués par IMU. Des images des névromes ont été enregistrées et des biomarqueurs calculés. Résultats. La prévalence des névromes est 1,3/MR et ceux-ci touchent tous les nerfs sectionnés, avec une prédominance au nerf fibulaire superficiel (42%). Ils sont significativement plus épais (+247 %), plus hypoéchogènes (-19,31 %) et plus homogènes (+29,71 %) que le nerf proximal. Les névromes du nerf tibial présentent la plus grande aire transversale (CSA) (75,19 mm2). Une durée de port prothétique moindre, une incapacité fonctionnelle plus élevée et une douleur provoquée à la compression d’un névrome situé sur le nerf fibulaire superficiel sont positivement associés à la DN. Aucune association n’a été établie entre la CSA, le ratio d’épaisseur, l’épaisseur des tissus sus-jacents et la DN. Conclusion. Caractériser les névromes des MR avec des biomarqueurs à l’IMU pourrait devenir utile en clinique et en recherche. La validité prédictive des biomarqueurs en lien avec la douleur neuropathique reste à clarifier. / Relevance. The presence of neuromas often leads to neuropathic residual limb (RL) pain in individuals with amputation. Objectives. (1) depict the frequency and localization of neuromas using musculoskeletal ultrasound imaging (MSKUS) in RL; (2) characterize neuromas using geometric, luminosity, texture, and hyperemia MSKUS biomarkers; (3) determine the association between neuropathic RL pain and socio-demographic, prosthetic, functional, and participation outcome measures, and (4) assess the association between neuropathic RL pain, MSKUS biomarkers and symptomatology upon neuroma compression. Methods. 23 participants with transtibial amputations completed pain, function, and participation questionnaires before undergoing an MSKUS imaging assessment. Images of the neuromas in the longitudinal and transverse planes were recorded before computing MSKUS biomarkers. Results. There was a prevalence of 1.3 neuromas per RL. All sectioned peripheral nerves could be affected, with a predominance for the superficial fibular nerve (42% of all cases). Overall, neuromas were significantly thicker (thickness= +247%), darker (echogenicity= -19.31%) and smoother (homogeneity= +29.71%) than their proximal nerve’s portion. The largest neuroma cross-sectional area (CSA) appeared on the tibial nerve (75.19 mm2). Less daily prosthesis wearing time, higher disability, and eliciting pain upon compression of a neuroma on the superficial fibular nerve were positively associated to RL neuropathic pain intensity. No association was established between the CSA, thickness ratio, thickness of the overlying soft tissues and neuropathic RL pain. Conclusion. Characterizing neuromas using MSKUS biomarkers may become valuable in clinical practice and research protocols. The predictive validity of such biomarkers with regards to neuropathic pain remains to be clarified.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Le cancer de la prostate est le type de cancer le plus fréquent chez l’homme. On estime qu’un homme sur six vivant jusqu’à quatre-vingts ans en recevra le diagnostic. En 1994, le Centre hospitalier universitaire de Québec (CHUQ) est devenu le premier établissement de santé au Canada à utiliser la curiethérapie par implants permanents pour soigner le cancer de la prostate. Depuis, des milliers de personnes ont bénéficié de ce traitement peu invasif et très efficace. Au cours de la curiethérapie, qui est une intervention d’une à deux heures effectuée sous anesthésie générale, le radio-oncologue utilise des aiguilles pour placer une matière radioactive sous la forme de petits grains directement dans le tissu cancéreux. Les grains, de la grosseur d’un grain de riz, émettent des radiations qui détruisent les cellules à l’endroit visé pendant environ six mois après l’opération. Ils restent ensuite en place de façon permanente, mais sont inoffensifs. Or, ce type d’opération n’est pas une tâche facile pour le radio-oncologue. De surcroît, les spécialistes qui aspirent à pouvoir donner ce genre de traitement, bien que très formés et encadrés, ne peuvent finalement que s’entrainer sur des sujets humains pour acquérir de l’expérience, une pratique potentiellement discutable sur le plan éthique. C’est pourquoi nous proposons la mise sur pied d’un environnement de réalité virtuelle pour l’entraînement à la curiethérapie de la prostate qui aurait, pour les nouveaux médecins, un rôle similaire à celui des simulateurs de vol pour les pilotes d’avion. Dans ce mémoire, nous présentons différents algorithmes qui permettent de générer un modèle réaliste de prostate et de son environnement avoisinant, de simuler la physique de ces tissus mous biologiques et des aiguilles flexibles utilisées, ainsi que l’interaction entre ces derniers. Ces algorithmes permettent une vue tridimensionnelle de l’opération, à laquelle nous ajoutons une extension qui permet de visualiser l’opération sous la forme d’images par échographie ultrasonique. L’intégration de tous ces modules avec un module haptique pouvant simuler les retours d’efforts lors de l’insertion d’aiguilles (développé par des collègues en génie mécanique), forme l’environnement virtuel proposé. / Prostate cancer is the most common type of cancer in men. It is estimated that one in six men living up to eighty years will receive the diagnosis. In 1994, the Centre hospitalier universitaire de Québec (CHUQ) became the first healthcare facility in Canada to use permanent implants brachytherapy to treat prostate cancer. Since then, thousands of people benefited from this minimally invasive and very effective treatment. During brachytherapy, a procedure of one to two hours performed under general anesthesia, the radiation oncologist uses needles to place radioactive matter in the form of small seeds directly into the cancerous tissue. The seeds, about the size of a grain of rice, emit radiation that destroy cells in the target area for about six months after the operation. They then remain in place permanently, but are harmless for the person. However, the procedure is not an easy task for the radiation oncologist. In particular, specialists who aspire to give this kind of treatment, although very well trained and supervised, can only be trained using human subjects to gain experience, a practice that may raise ethical issues. We therefore propose the establishment of a virtual reality environment for training in prostate brachytherapy which would have, for new doctors, a role similar to flight simulators for aircraft pilots. In this thesis, we present different algorithms to generate a realistic model of the prostate and its surrounding environment, the simulation of the physics of organic soft tissue and of flexible needles, as well as the interaction between them. These algorithms allow a three-dimensional view of the operation, to which we add an extension that allows the user to view the operation as images by ultrasonography. The integration of all these modules with a module that can simulate haptic feedback when inserting needles (developed by our collegues in mecanical engineering) forms the proposed virtual environment.