L'analyse biomécanique du geste sportif vise à mieux comprendre les mécanismes de la performance, en vue de l'améliorer tout en limitant le risque de blessures. Dans le sport de haut niveau, les appuis constituent une des clés de la performance. Couramment utilisée pour l'analyse de la marche, la dynamique inverse permet de quantifier les actions inter-segmentaires, potentiellement traumatiques, au cours du mouvement. Cette méthode comporte toutefois certains biais, dont deux peuvent être particulièrement importants au cours de mouvements sportifs à fortes accélérations : l'artefact des tissus mous et la précision du torseur dynamique. Ce travail a pour premier objectif de proposer des adaptations méthodologiques pour l'analyse par dynamique inverse d'appuis sportifs. D'abord, l'intérêt de la méthode des « centres articulaires moyens », basée sur l'utilisation de clusters rigides, est montré pour l'acquisition de la cinématique segmentaire. Ensuite, l'influence de la fréquence d'échantillonnage et de la méthode de dérivation discrète sur le calcul des accélérations est évaluée. Enfin, la validation d'un modèle volumique personnalisé permettant une meilleure estimation des paramètres inertiels que les modèles proportionnels couramment utilisés est présentée. Le second objectif de ce travail consiste en l'application des méthodes ainsi développées à l'analyse du comportement mécanique de la cheville au cours de sauts de type pliométrique et à l'évaluation personnalisée du risque de blessures du membre inférieur chez des athlètes d'élite en kungfu wushu. Ces analyses seront faites en parallèle de la mesure de caractéristiques spécifiques de l'athlète, telles que l'amplitude articulaire de la cheville et les modules d'élasticité de différentes structures du triceps sural obtenus par élastographie. Les perspectives pour l'application à l'entraînement seront abordées, en termes d'évolution des pratiques et de prévention personnalisée des blessures. / Sports biomechanics aims at better understanding performance mechanisms, to improve them while limiting injury risk. At elite level, stances are a key aspect of performance. Often used in gait analysis, inverse dynamics enables quantification of mechanical actions during motion. However, there are some limits to this method, two of which can become important when studying sports stances: soft tissue artifact and accuracy of dynamic wrenches. The first objective of this work is to propose methodological adaptations for inverse dynamics analysis of sports stances. Firstly, the benefit of the “mean joint centers” method, based on the use of rigid clusters, is shown for segment kinematics acquisition. Secondly, the influences of the sampling frequency and the differentiation method on the calculation of accelerations are evaluated. Thirdly, the validation of a personalized volumetric model enabling better estimation of segment inertial parameters than common proportional models is presented. The second objective of this work is the application of the methods proposed to the analysis of the ankle joint mechanical behavior during plyometric jumps, and to personalized evaluation of the lower limb injury risk in elite wushu athletes. These analyses have been performed in parallel to specific measures of athletes' characteristics, such as the ankle range of motion and the shear modulii of different structures of the triceps surae, using shear wave elastography. Perspectives for training application will be discussed, to address the evolution of training habits and personalized injury prevention.

La fibrillation atriale affecte 2-3% des européens et nord-américains, les tachycardies ventriculaires sont liées à un risque important de mort subite. Les approches minimalement invasives comme l’Ablation par Cathéter Radiofréquence (RFCA) ont révolutionné le traitement de ces maladies, mais le taux de réussite de la RFCA est limité par le manque de techniques d’imagerie pour contrôler cette ablation thermique.Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles approches ultrasonores pour des traitements cardiaques minimalement invasifs guidés par échographie.Pour cela nous avons d’abord validé la précision et la viabilité clinique de l’Élastographie par Ondes de Cisaillement (SWE) en tant que modalité d’imagerie quantitative et temps réel pour l’ablation thermique in vivo. Ensuite nous avons implémenté la SWE sur un transducteur intracardiaque et validé la faisabilité d’évaluer l’ablation thermique in vitro et in vivo sur cœur battant de gros animal. Puis nous avons développé un transducteur intracardiaque dual-mode pour effectuer l’ablation et l’imagerie ultrasonores avec les mêmes éléments, sur le même dispositif. Les lésions thermiques induites par Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) et contrôlées par la SWE ont été réalisées avec succès in vivo dans les oreillettes et les ventricules chez le gros animal. Finalement la SWE a été implémentée sur un dispositif d’imagerie et thérapie ultrasonores transœsophagien et la faisabilité de cette approche a été démontrée in vitro et in vivo. Ces approches originales pourraient conduire à de nouveaux dispositifs cliniques pour des traitements plus sûrs et contrôlés d’un large éventail d’arythmies et maladies cardiaques. / Atrial fibrillation (AF) affects 2-3% of the European and North-American population, whereas ventricular tachyarrhythmia (VT) is related to an important risk of sudden death. AF and VT originate from dysfunctional electrical activity in cardiac tissues. Minimally-invasive approaches such as Radio-Frequency Catheter Ablation (RFCA) have revolutionized the treatment of these diseases; however the success rate of RFCA is currently limited by the lack of monitoring techniques to precisely control the extent of thermally ablated tissue.The aim of this thesis is to propose novel ultrasound-based approaches for minimally invasive cardiac ablation under guidance of ultrasound imaging. For this, first, we validated the accuracy and clinical viability of Shear-Wave Elastography (SWE) as a real-time quantitative imaging modality for thermal ablation monitoring in vivo. Second we implemented SWE on an intracardiac transducer and validated the feasibility of evaluating thermal ablation in vitro and in vivo on beating hearts of a large animal model. Third, a dual-mode intracardiac transducer was developed to perform both ultrasound therapy and imaging with the same elements, on the same device. SWE-controlled High-Intensity-Focused-Ultrasound thermal lesions were successfully performed in vivo in the atria and the ventricles of a large animal model. At last, SWE was implemented on a transesophageal ultrasound imaging and therapy device and the feasibility of transesophageal approach was demonstrated in vitro and in vivo. These novel approaches may lead to new clinical devices for a safer and controlled treatment of a wide variety of cardiac arrhythmias and diseases.

Les travaux menés lors de cette thèse portent sur le développement d'une approche passive d'Elastographie, l'imagerie de l'élasticité des tissus mous. Inspirée des techniques de corrélation de bruit sismique développée en séismologie, et du retournement temporel en acoustique. L'Elastographie passive utilise des ondes de cisaillement naturellement présentent dans le corps humain pour extraire les propriétés mécaniques des tissues biologiques. La faisabilité de cette approche passive est démontrée pour divers applications. En ultrason, un échographe à cadence lente ont été utilisés pour le guidage du traitement par ultrason à haut intensité dans une étude préclinique. Puis l'utilisation d'un échographe ultra-rapide pour la reconstruction des cartes de vitesses dans des gels calibrés ainsi que in-vivo. L'Elastographie passive par résonnance magnétique a été également mise en place pour imager les mouvements naturels dans le cerveau d'un volontaire sain et la réalisation d'une tomographie de longueurs d'ondes. En optique pour des applications en ophtalmologie ou en dermatologie, la faisabilité de l'Elastographie passive par cohérence optique a été démontrée dans un gel puis in-vivo dans l'œil d'une souris pour des. Puis une preuve du concept d'un dispositif d'imagerie d'ondes de surfaces complètement optique été testé dans des gels plan, courbé, isotrope ou anisotrope. Finalement, la limite de la résolution de l'Elastographie passive par ultrason est évaluée / The aim of this thesis was the development of a new approach called passive elastography. This approach is inspired from noise correlation methods well developed in seismology and time reversal technics in acoustics. Passive elastography uses shear waves naturally induced in the human body to extract its mechanical properties of soft tissue. The feasibility of this method was tested in several applications. First in ultrasound, slow frame rate ultrasound scanner was used to monitor high intensity focused ultrasound treatment on porcine pancreas. Then, an ultrafast ultrasound scanner was used to retrieve shear wave speed map in a calibrated phantom and in-vivo. Second, Magnetic resonance elastography was implemented to image natural motion in the brain of healthy volunteers and conduct shear wavelength tomography. Third, of ophthalmological and dermatological applications, optical coherence passive elastography was tested in a phantom and a cornea of healthy mouse. Also, a fully optical setup was established to image surface wave for elastography applications. Finally, the resolution limit of elastography was measured using and ultrasound ultrafast scanner

Aim: This study aims to assess the association of biomechanical characteristics of carotid walls and carotid intima-media thickness (IMT), as assessed by ultrasound, when incorporated into prediction models for coronary CT plaque burden in both people living with HIV (PLWH) and HIV-negative control individuals. Methods: In this cross-sectional study, 164 participants (mean age 57 years ± 8 years; 134 males) with low to intermediate cardiovascular risk were recruited from the ongoing prospective Canadian HIV and Aging Cohort Study (CHACS). Among the 164 recruited participants, a total of 154 individuals (mean age, 56.5 years ± 7.55 years; 83 PLWH, 54%; 137 males; 88%) were evaluated. Ten participants were excluded due to unavailable coronary plaque data. The mean time interval between coronary CT and carotid ultrasound per participant was 7.69 ± 20.1 months. Using ultrasound, cumulated axial strain, cumulated shear strain, cumulated axial translation, cumulated lateral translation, and IMT of the common and internal carotid arteries were measured. Participants also underwent cardiac CT for coronary plaque assessment. Univariate and multivariate Poisson regression analyses with robust variance were performed to identify independent associations of cardiovascular risk factors, IMT, and elastography parameters with coronary plaque presence. Receiver operating characteristic (ROC) curve analysis and the area under the curve (AUC) were used to compare different prediction models for coronary plaque presence. Results: The study included 83 PLWH and 71 controls (N=154). The median 10-year Framingham risk score was 12% [IQR, 8 - 16] in PLWH and 9% [IQR, 7 - 15] in controls (p = 0.045). In the PLWH group, coronary plaques were observed in 55 participants (61.1%) compared to 42 (56.8%) in the non-HIV control group (p = .46). Carotid IMT and all elastography features for both the internal and common carotid arteries were similar between PLWH and healthy volunteers. 4 After adjusting for cardiovascular risk using multivariate Poisson regression, smoking exposure was significantly associated with coronary plaque presence on CT (prevalence ratio 1.10, 95% CI 1.04 – 1.13, p < 0.001). No significant associations were found with other coronary artery disease risk factors or HIV status in multivariate analysis. Carotid elastography parameters and carotid intima-media thickness were not associated with coronary atherosclerosis after adjustment. AUC analyses did not reveal any significant differences in predictive accuracy between models when adding either elastography parameters, IMT, or both elastography parameters and IMT results to the cardiovascular risk factor model, with AUC ranging from 0.647 to 0.681 in all models. Conclusion: In our study, models incorporating carotid elastography and IMT did not enhance the prediction of coronary plaque presence in PLWH or controls, compared to models including only traditional cardiovascular risk factors. Key words: HIV, computed tomography, angiography, us elastography, atherosclerosis / Objectif: Évaluer l’association des caractéristiques biomécaniques des parois carotidiennes et de l'épaisseur intima-média (EIM) « Intima-media Thickness » (IMT) carotidienne, telles qu'évaluées par échographie, lorsque celles-ci sont incluses dans les modèles de prédiction de la charge de plaque coronarienne évaluée par tomodensitométrie (CT) chez les personnes vivant avec le VIH (PVVIH) et les personnes contrôles séronégatives. Méthodes : Dans notre étude transversale, 164 participants (âge moyen 57 ans ± 8 ans ; 134 hommes) présentant un risque cardiovasculaire faible/intermédiaire ont été recrutés, provenant tous de l’étude prospective Cohorte canadienne VIH et vieillissement (CHACS, Canadian HIV an Aging Cohort Study). Parmi les 164 participants recrutés, un total de 154 participants (âge moyen, 56.5 ans ±7.55 ans; 83 PPLWH, 54 %; 137 hommes; 88%) ont été évalués. Dix participants ont été exclus en raison de données de plaques non disponibles. L’intervalle de temps moyen entre le CT et l’élastographie carotidienne était de 7.7 ± 20.1 mois Avec l’imagerie par ultrasons, nous avons mesuré la déformation axiale cumulée, la déformation de cisaillement cumulée, la translation axiale cumulée, la translation latérale cumulée et l'IMT des artères carotides commune et interne. Les participants ont également subi une tomodensitométrie cardiaque pour l'évaluation de la plaque coronarienne. Des analyses de régression de Poisson univariées et multivariées avec une variance robuste ont été réalisées pour identifier comment les facteurs de risque cardiovasculaire, les paramètres IMT et élastographie sont indépendamment associés à la présence de plaque coronarienne. La fonction d’efficacité du récepteur (« caractéristique de fonctionnement du récepteur ») (ROC, receiver operating characteristic) et l'analyse de l'aire sous la courbe (AUC, area under the curve) ont également été utilisées pour comparer différents modèles de prédiction de la présence de plaque coronarienne. Résultats: Il y avait 83 PVVIH et 71 contrôles (N=154). Le score médian de risque de Framingham sur 10 ans était de 12% [IQR, 8 - 16] chez les PLWH and de 9% [IQR,7 -15] chez les témoins (p = 0.045). Dans le groupe PVVIH, des plaques coronaires étaient présentes chez 55 participants (61,1 %) contre 42 (56,8 %) dans le groupe contrôle non VIH (p = 0,46). 2 Après ajustement pour les facteurs de risque cardiovasculaire, on note que le tabagisme est associé à la présence de plaque coronarienne (ratio de prévalence 1.10, 95% CI 1.04 – 1.13, p < 0.001). Aucune autre association significative n’a été démontré avec d’autres facteurs de risque cardiovasculaire, ou avec le statut VIH, dans les analyses multivariées. L’analyse multivariée démontre que l'ajout des données d’IMT ou d’élastographie n'augmente pas la précision des modèles, au-delà du modèle n’incluant que les facteurs de risque traditionnels. Les analyses des courbes ROC et AUC n'ont montré aucune différence significative dans la précision prédictive entre les modèles qui incluent les paramètres d'élastographie, d'IMT et les facteurs de risque cardiovasculaire, versus les modèles qui n’incluent que les facteurs de risque cardiovasculaire, avec des AUC allant de 0,65 à 0,68. Conclusion: Dans notre étude, les modèles incluant l'élastographie carotidienne et l'IMT n'ont pas montré d’augmentation de la prédiction de la présence de plaque coronarienne chez les PVVIH ou les contrôles, en comparaison aux modèles incluant uniquement les facteurs de risque traditionnels.

L’élastographie est une technique d’imagerie qui vise à cartographier in vivo les propriétés mécaniques des tissus biologiques dans le but de fournir des informations diagnostiques additionnelles. Depuis son introduction en imagerie ultrasonore dans les années 1990, l’élastographie a trouvé de nombreuses applications. Cette modalité a notamment été utilisée pour l’étude du sein, du foie, de la prostate et des artères par imagerie ultrasonore, par résonance magnétique ou en tomographie par cohérence optique. Dans le contexte des maladies cardiovasculaires, cette modalité a un fort potentiel diagnostique puisque l’athérosclérose modifie la structure des tissus biologiques et leurs propriétés mécaniques bien avant l’apparition de tout symptôme. Quelle que soit la modalité d’imagerie utilisée, l’élastographie repose sur : l’excitation mécanique du tissu (statique ou dynamique), la mesure de déplacements et de déformations induites, et l’inversion qui permet de recouvrir les propriétés mécaniques des tissus sous-jacents. Cette thèse présente un ensemble de travaux d’élastographie dédiés à l’évaluation des tissus de l’appareil cardiovasculaire. Elle est scindée en deux parties. La première partie intitulée « Élastographie vasculaire » s’intéresse aux pathologies affectant les artères périphériques. La seconde, intitulée « Élastographie cardiaque », s’adresse aux pathologies du muscle cardiaque. Dans le contexte vasculaire, l’athérosclérose modifie la physiologie de la paroi artérielle et, de ce fait, ses propriétés biomécaniques. La première partie de cette thèse a pour objectif principal le développement d’un outil de segmentation et de caractérisation mécanique des composantes tissulaires (coeur lipidique, tissus fibreux et inclusions calciques) de la paroi artérielle, en imagerie ultrasonore non invasive, afin de prédire la vulnérabilité des plaques. Dans une première étude (Chapitre 5), nous présentons un nouvel estimateur de déformations, associé à de l’imagerie ultrarapide par ondes planes. Cette nouvelle méthode d’imagerie permet d’augmenter les performances de l’élastographie non invasive. Dans la continuité de cette étude, on propose une nouvelle méthode d’inversion mécanique dédiée à l’identification et à la quantification des propriétés mécaniques des tissus de la paroi (Chapitre 6). Ces deux méthodes sont validées in silico et in vitro sur des fantômes d’artères en polymère. Dans le contexte cardiaque, les ischémies et les infarctus causés par l’athérosclérose altèrent la contractilité du myocarde et, de ce fait, sa capacité à pomper le sang dans le corps (fonction myocardique). En échocardiographie conventionnelle, on évalue généralement la fonction myocardique en analysant la dynamique des mouvements ventriculaires (vitesses et déformations du myocarde). L’abscence de contraintes physiologiques agissant sur le myocarde (contrairement à la pression sanguine qui contraint la paroi vasculaire) ne permet pas de résoudre le problème inverse et de retrouver les propriétés mécaniques du tissu. Le terme d’élastographie fait donc ici référence à l’évaluation de la dynamique des mouvements et des déformations et non à l’évaluation des propriétés mécanique du tissu. La seconde partie de cette thèse a pour principal objectif le développement de nouveaux outils d’imagerie ultrarapide permettant une meilleure évaluation de la dynamique du myocarde. Dans une première étude (Chapitre 7), nous proposons une nouvelle approche d’échocardiographie ultrarapide et de haute résolution, par ondes divergentes, couplée à de l'imagerie Doppler tissulaire. Cette combinaison, validée in vitro et in vivo, permet d’optimiser le contraste des images mode B ainsi que l’estimation des vitesses Doppler tissulaires. Dans la continuité de cette première étude, nous proposons une nouvelle méthode d’imagerie des vecteurs de vitesses tissulaires (Chapitre 8). Cette approche, validée in vitro et in vivo, associe les informations de vitesses Doppler tissulaires et le mode B ultrarapide de l’étude précédente pour estimer l’ensemble du champ des vitesses 2D à l’intérieur du myocarde. / Elastography is an imaging technique that aims to map the in vivo mechanical properties of biological tissues in order to provide additional diagnostic information. Since its introduction in ultrasound imaging in the 1990s, elastography has found many applications. This method has been used for the study of the breast, liver, prostate and arteries by ultrasound imaging, magnetic resonance imaging (MRI) or optical coherence tomography (OCT). In the context of cardiovascular diseases (CVD), this modality has a high diagnostic potential as atherosclerosis, a common pathology causing cardiovascular diseases, changes the structure of biological tissues and their mechanical properties well before any symptoms appear. Whatever the imaging modality, elastography is based on: the mechanical excitation of the tissue (static or dynamic), the measurement of induced displacements and strains, and the inverse problem allowing the quantification of the mechanical properties of underlying tissues. This thesis presents a series of works in elastography for the evaluation of cardiovascular tissues. It is divided into two parts. The first part, entitled « Vascular elastography » focuses on diseases affecting peripheral arteries. The second, entitled « Cardiac elastography » targets heart muscle pathologies. In the vascular context, atherosclerosis changes the physiology of the arterial wall and thereby its biomechanical properties. The main objective of the first part of this thesis is to develop a tool that enables the segmentation and the mechanical characterization of tissues (necrotic core, fibrous tissues and calcium inclusions) in the vascular wall of the peripheral arteries, to predict the vulnerability of plaques. In a first study (Chapter 5), we propose a new strain estimator, associated with ultrafast plane wave imaging. This new imaging technique can increase the performance of the noninvasive elastography. Building on this first study, we propose a new inverse problem method dedicated to the identification and quantification of the mechanical properties of the vascular wall tissues (Chapter 6). These two methods are validated in silico and in vitro on polymer phantom mimicking arteries. In the cardiac context, myocardial infarctions and ischemia caused by atherosclerosis alter myocardial contractility. In conventional echocardiography, the myocardial function is generally evaluated by analyzing the dynamics of ventricular motions (myocardial velocities and deformations). The abscence of physiological stress acting on the myocardium (as opposed to the blood pressure which acts the vascular wall) do not allow the solving the inverse problem and to find the mechanical properties of the fabric. Elastography thus here refers to the assessment of motion dynamics and deformations and not to the evaluation of mechanical properties of the tissue. The main objective of the second part of this thesis is to develop new ultrafast imaging tools for a better evaluation of the myocardial dynamics. In a first study (Chapter 7), we propose a new approach for ultrafast and high-resolution echocardiography using diverging waves and tissue Doppler. This combination, validated in vitro and in vivo, optimize the contrast in B-mode images and the estimation of myocardial velocities with tissue Doppler. Building on this study, we propose a new velocity vector imaging method (Chapter 8). This approach combines tissue Doppler and ultrafast B-mode of the previous study to estimate 2D velocity fields within the myocardium. This original method was validated in vitro and in vivo on six healthy volunteers.

La fibrillation atriale (FA) est l’arythmie cardiaque la plus fréquente. Elle touche près de 750 000 personnes en France. La technique de traitement la plus courante est l’ablation intracardiaque par radiofréquence (RF). Son principe consiste à isoler électriquement les veines pulmonaires du reste de l’oreillette. Cependant cette technique est invasive et a une efficacité limitée. Les Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) permettent de léser à distance de façon précise les tissus biologiques. Un traitement de la FA par HIFU transoesophagiens aurait l’avantage d’être mini-invasif et plus efficace qu’un traitement par RF intracardiaque de par la possibilité de générer des lésions transmurales sans nécessiter de contact entre la sonde et la zone à traiter. Un applicateur HIFU transoesophagien à guidage échographique intégré a donc été développé pour le traitement de la FA. Le transducteur peut focaliser le faisceau ultrasonore de 17 mm à 55 mm de profondeur avec une intensité acoustique maximale à sa surface de 12 W•cm-2. Une procédure de traitement HIFU préservant les tissus adjacents a été simulée numériquement sur un modèle anatomique réaliste. Des lésions HIFU transoesophagiennes ont été obtenues ex vivo dans du myocarde dans des conditions anatomiques et physiologiques proches de l’in vivo. Des essais préliminaires d’élastographie par ondes de cisaillement ont permis d’évaluer la faisabilité d’un contrôle de la formation des lésions à l’aide du transducteur d’imagerie intégré. Une première série d’expérimentations in vivo sur le modèle porcin a finalement permis de valider la procédure de traitement et d’induire des dommages biologiques dans le tissu cardiaque / Atrial fibrillation (AF) is the most frequent cardiac arrhythmia. This pathology affects more than 750,000 persons in France. Radiofrequency (RF) endocardial ablation is performed to treat this disease and involves the generation of transmural thermal lesions, to isolate electrically the pulmonary veins (PV) from the left atrium. The technique is, however, invasive and has a limited efficiency, especially for ensuring transmurality which requires a perfect contact between the RF probe and cardiac tissues. High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) allows the creation of precise thermal lesions, deep within biological tissues. A transesophageal HIFU approach could provide a minimally-invasive alternative for AF treatment, since deep transmural lesions could be generated at distance from the HIFU probe. In this work, an ultrasound-guided transesophageal applicator has been developed for AF treatment. The HIFU transducer, embedding a transesophageal echocardiography (TEE) probe, can focus the acoustic beam from 17 to 55 mm axially and generate a surface acoustic intensity up to 12 W•cm-2. A complex treatment plan, the HIFU Mini-Maze (HIFUMM), was successfully simulated on a realistic anatomical human model. Transesophageal HIFU lesions were induced experimentally in static myocardium, under ex vivo configurations reflecting an increasing complexity in anatomical and physiological conditions. Investigations conducted on shear wave elastography confirmed the feasibility of using TEE to control the formation of HIFU lesions. Finally, in vivo experiments in a porcine model allowed validating the treatment procedure by inducing biological damages in beating heart

Selon l'American Lung Association, dans les dernières années, les maladies pulmonaires sont devenues la troisième cause mondiale de décès après les maladies cardiovasculaires et le cancer. Et il est prévu que la position augmente dans ce classement au cours des dix prochaines années. Les maladies pulmonaires telles que la broncho-pneumopathie chronique obstructive (BPCO) et la fibrose interstitielle affectent des millions de personnes dans le monde, tuant des milliers d'entre eux chaque année tandis que de nouveaux cas sont signalés. Aujourd'hui, il n'y a pas de diagnostic précoce des maladies pulmonaires. Celles-ci se manifestent essentiellement par une modification des propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire qui ne peut être détectée par les techniques usuelles appliquées généralement sur les autres organes. La tomodensitométrie par rayons X et la biopsie pulmonaire chirurgicale peuvent indiquer la maladie. Cependant, il n'est pas encore possible de prédire la progression de cette dernière ni de déterminer la durée optimale de la thérapie, ni encore d'explorer l'administration d'autres agents potentiellement moins toxiques que ceux utilisés de nos jours. Les causes et les mécanismes de la maladie ainsi que les facteurs génétiques associés ne sont pas encore déterminés. Les enjeux sociétal et médical sont énormes. Les propriétés viscoélastiques des tissus pulmonaires jouent un rôle clé dans la fonction-même de l'organe. Elles pourraient être des biomarqueurs pulmonaires très sensibles puisqu'elles dépendent de la structure des tissus, des conditions biologiques, et qu'elles sont considérablement altérées par la plupart des maladies pulmonaires comme le cancer, l'emphysème, l'asthme ou la fibrose interstitielle. Toutefois, l’auscultation et l’exploration tactile couramment utilisées ne peuvent pas localement les sonder in vivo. Dans ce travail de thèse, une nouvelle modalité a été développée pour cartographier les propriétés viscoélastiques du parenchyme pulmonaire afin de détecter, quantifier et classer les maladies qui les modifient. Cette nouvelle méthode d'imagerie, l’élastographie par résonance magnétique de l'hélium-3 hyperpolarisé, bénéficie de l'innocuité et de la sensibilité de la technique ainsi que de l'importance du signal d'hélium-3 hyperpolarisé dans les poumons.Tout d'abord, la technique a été validée sur des fantômes de poumons préservés de cochon. D'une part, les hypothèses de confinement du gaz et de l'indépendance à la composition du gaz qui sous-tendent l'élastographie IRM quantitative de l'hélium-3 ont été confirmées. D'autre part, la sensibilité de la technique a été éprouvée par rapport à l'inflation des poumons et à leur dépendance à la gravité. Puis, un mode d'excitation original a été développé et les protocoles d'acquisition IRM ont été optimisés pour réaliser l'élastographie IRM de l'hélium-3 in vivo. Les premières mesures de propagation d'ondes de cisaillement ont été obtenues à la fois dans des poumons de rat et d'humain. Les modules d'élasticité de cisaillement obtenus s'accordent assez bien avec les valeurs de rigidité obtenues ex vivo par les techniques alternatives. Ce travail ouvre une voie unique d'exploration in vivo de la physiopathologie pulmonaire. / According to the American Lung Association, for the last few years, lung diseases have become the third most common cause of death worldwide after cardiovascular disease and tumors, and it is expected to rise up the ranking position in the next ten years. Lung diseases such as Chronic Obstructive Pulmonary Disease and interstitial fibrosis affect millions of people worldwide, killing thousands of them every year while new cases are reported. Today, there is no early diagnosis of these pulmonary diseases. They effectively manifest by a modification of the viscoelastic properties of the lung parenchyma which cannot be detected by usual techniques that are applied to other organs. X-ray computer tomography and surgical lung biopsy can state the disease. However, it is not yet possible to predict its progression, to determine the optimal length of the therapy, or to explore the administration of other agents potentially less toxic than those used nowadays. Causes and mechanisms of the disease, associated genetic factors are not determined yet. The social and medical issues are huge. The viscoelastic properties of lung tissue play a key role in the basic function of the organ. They could be very sensitive pulmonary biomarkers as they depend on the tissue structure, the biological conditions, and they are dramatically altered by most lung diseases like cancer, emphysema, asthma, or interstitial fibrosis. However, current auscultation and tactual explorations fail to regionally probe them in vivo.In this PhD work, a new modality was developed to regionally measure the viscoelastic properties of the lung parenchyma in order to detect, quantify, and classify diseases that modify them. This new imaging approach, hyperpolarized helium-3 Magnetic Resonance Elastography (MRE), benefit from the innocuity and the sensitivity of the technique as well as from the huge hyperpolarized helium-3 signal in the lung. First, the technique was validated on preserved pig lung phantoms. On the one hand, the assumptions of gas confinement and gas content independence that support quantitative helium-3 MRE were assessed. On the other hand, the sensitivity of the technique was challenged with respect to lung inflation and gravity dependence. Second, original means of mechanical excitation were developed and MR acquisition protocols were optimized to perform helium-3 MRE in vivo. First measurements of shear wave propagation were achieved in both rat and human lungs. Resulting shear elasticity agrees fairly well with stiffness values found ex vivo by alternative measurement techniques. This work opens up promising insights into lung pathophysiology in vivo.

L’élastographie-IRM du sein (MRE) est une technique d’imagerie fonctionnelle non invasive utilisant les propriétés visco-élastiques des tissus et qui permet comme en élastographie-échographie d’évaluer la rigidité d’une lésion. Il est également possible, à la différence de l’élastographie-échographie, d’évaluer le degré de viscosité d’une lésion, et ainsi grâce à la combinaison élasticité/viscosité, comparée à l’analyse des paramètres IRM classiques comme la morphologie ou la cinétique de rehaussement, d’améliorer la caractérisation lésionnelle. Très peu d’études en élastographie-IRM du sein ont été menées à ce jour, essentiellement du fait d’une problématique instrumentale et de mise à disposition d’une antenne dédiée sein équipé d’un dispositif de génération des ondes de cisaillement dans le sein. Dans un premier temps, nous avons pu établir et optimiser une séquence élasto-IRM du sein sur une série de 10 volontaires saines. Cette séquence basée sur un principe de séquence Spin Echo EPI-MRE 3D, a permis l’acquisition de 50 coupes en 10 minutes sur un sein, compatible avec la pratique clinique en IRM du sein. Une approche multifréquence à 37,5 Hz, 75 Hz et 112,5 Hz a été ensuite testée sur les trois dernières volontaires puis transférées à notre population de patientes. Cette séquence multifréquence permettait la continuité de diffusion des ondes dans le sein. 50 patientes présentant des lésions indéterminées ou suspectes du sein (37 cancers, 13 bénins) ont ensuite été incluses dans ce protocole et examinées par IRM du sein classique avec séquence supplémentaire élasto-IRM. Certaines patientes étaient aussi examinées en élasto-échographie. Les données IRM morphologiques, dynamiques et de visco-élasticité IRM ont été corrélées à l’histologie. Nous avons pu montrer que les paramètres visco-élastiques IRM étaient fortement corrélés avec le score de malignité d’une lésion (Bi-RADS ACR) et avec le caractère différentiel bénin/malin. C’est notamment le paramètre Gd qui représente l’élasticité, qui était plus faible en cas de lésion suspecte BI-RADS 5. Le paramètre Gl était plus élevé dans les lésions malignes par rapport aux lésions bénignes, avec un niveau de viscosité statistiquement supérieur dans les lésions malignes. Le meilleur paramètre semble être le rapport y (Gl/Gd) qui était aussi significativement élevé dans les lésions malignes par comparaison avec les lésions bénignes du sein, et qui a été analysé comme un facteur indépendant. En pratique, l’ajout de la séquence MRE à un examen IRM du sein classique a permis dans notre étude d’améliorer significativement la sensibilité de l’IRM (de 78 à 91 %) sans perte de spécificité, celle-ci étant initialement très bonne dans cette étude. Nous n’avons pas en revanche établi de lien entre la fibrose, la quantification vasculaire ou la nécrose pour expliquer ces phénomènes de visco-élasticité des tumeurs. En conclusion, l’élasto-IRM peut s’avérer utile pour améliorer le diagnostic de lésions du sein en IRM. Une poursuite des travaux avec optimisation de la séquence pour qu’elle puisse permettre l’analyse des deux seins sera nécessaire pour sa diffusion en pratique clinique. Ce travail pourrait idéalement se poursuivre sur une plus grande série de patientes. / MR-elastography (MRE) is a non-invasive functional Imaging technique using tissue mechanical visco-elastic properties to evaluate tissue stifness. MRE is different from elasticity Imaging in ultrasound, as it is possible to evaluate tumour viscosity. Combining viscosity and elasticity may improve MRI accuracy, in comparison with classical morphological and kinetics criteria. Only very few studies are focused on breast MRE, because of low availability of dedicated breast coils with MRE devices. Firstly, we developed and optimized a breast MRE sequence on a population of 10 volunteers. This sequence is based on a Spin Echo EPI-MRE 3D, and it was possible to acquire 50 slices on one breast in 10 minutes, which is applicable in a clinical routine in breast MRI. Secondly, a multi-frequency approach 37,5 Hz, 75 Hz and 112,5 Hz has been evaluated on the last three volunteers, then transferred to our patient’s population. A continous diffusion of waves within the breast was possible with this multifrequency approach sequence. 50 patients presenting undetermined or suspicious breast lesions (37 cancers, 13 benign lesions) were included in this study and examined with a standard breast MRI and MRE sequence. Some patients were also examined with shear-wave ultrasound elastography (ARFI mode, Siemens ®). Morphological, kinetic and visco-elastic MR parameters were correlated to pathology. We demonstrated that MR visco-elastic properties were strongly correlated with Bi-RADS ACR malignancy score of a breast lesion and with malignant and benign status. The best parameter was Gd (dynamic modulus), which corresponded to lesion stiffness. Gd was lower in case of BI-RADS 5 lesions. Gl parameter (Loss modulus) was higher in malignant lesions in comparison with benign lesions, with viscosity level statistically higher in malignant lesions. The best criterion was the ratio y (Gl/Gd), which was significantly higher in malignant lesions in comparison with benign lesions; ratio y was statistically an independent factor. In practice, addition of a MRE sequence to a standard breast MRI improved significantly breast MRI Sensitity (78 to 91 %) without reduction in specificity; Sp was anyway initially high in our study. Nevertheless, we didn’t demonstrate a statistical correlation with fibrosis, vascular grading or necrosis with MRE parameters, to explain visco-elastic properties of breast tumours. In conclusion, MR-elastography may be useful to improve breast MRI accuracy. In future studies, MRE sequence may be optimized to allow a bilateral acquisition on both breasts, which would be useful in clinical practice. Future works could include higher number of patients to confirm our results.

Les propriétés mécaniques des tissus biologiques sont des paramètres importants en médecine : ce sont des biomarqueurs du fonctionnement normal ou pathologique d'un tissu. En effet, ces propriétés peuvent être affectées par certaines conditions mécaniques telles que l'application d'une contrainte externe, comme l'hypertension ou un traumatisme, mais également par la présence de certaines maladies, telles que le cancer, la fibrose, l’inflammation, la maladie d'Alzheimer, ou bien tout simplement avec l'âge. La palpation réalisée par le médecin permet de discerner ces changements mais ce geste est qualitatif et ne peut accéder à des organes profonds. L'élastographie-IRM reste une méthode quantitative, robuste, d'une grande précision, qui permet de sonder l'élasticité et la viscosité des tissus. Elle consiste à mesurer le champ de déplacement d'une onde de cisaillement induite dans l'organe ciblé par une technique IRM en contraste de phase. Les modules viscoélastiques sont alors déduits après inversion de l'équation d'onde. Malgré cela, la justesse de cette technique n'a pas encore été pleinement établie. L'élastographie-IRM est en cours d'implémentation en routine clinique sur des patients atteints de maladies hépatiques chroniques ou bien pour caractériser des tumeurs dans le cas de cancer du sein. L'application aux autres organes protégés, tels que le cerveau ou les poumons, reste encore du domaine de la recherche à cause de la difficulté d'y induire des ondes mécaniques (protection naturelle de la boîte crânienne ou de la cage thoracique). C'est dans ce contexte qu'intervient un volet de mon travail de thèse : la mise en place, la caractérisation et l'optimisation d'un système induisant des ondes mécaniques dans les organes profonds. L’approche originale suivie a été d’utiliser les voies naturelles permettant d’amener l’onde de pression aux poumons ou bien à l’encéphale, différente des approches classiques consistant à traverser les barrières protectrices. Ce générateur d'onde de pression nous a permis d'obtenir des amplitudes d'onde allant de 6 µm à 30 µm dans l'ensemble du cerveau, amplitudes suffisantes afin d'en déduire les modules viscoélastiques du cerveau entier. D'autre part, un travail important s'est attaché à la réalisation d'un schéma original de correction des mouvements du patient en élastographie-IRM. Nous avons mis en évidence comment ces mouvements peuvent entraîner une discordance des composantes du champ de déplacement, nécessitant alors d'être corrigées. La correction proposée est composée d'une première étape dont la finalité est de recaler spatialement l'ensemble des volumes acquis, puis d'une seconde étape permettant de rétablir les composantes du champ de déplacement dans la même base orthonormée. Nous avons évalué numériquement et expérimentalement le biais induit quand aucunes corrections n'étaient appliquées sur ces données ainsi que l'apport de ces deux étapes de correction. Un travail préliminaire sur l'étude de la reproductibilité des acquisitions (phase en particulier) a été nécessaire. Enfin, l'ensemble des résultats de ces deux volets nous ont permis de réaliser des acquisitions d'élastographie du cerveau complet et d'obtenir des cartes du champ de déplacement de qualité. Ainsi, nous avons pu montrer la tendance des ondes mécaniques à suivre les directions privilégiées des fibres du cerveau, résultats que nous avons commencé à confronter aux observations faites en DTI. / Mechanical properties of biological tissues are important parameters in medicine: they are normal or pathological function biomarkers of tissue. Indeed, these properties can be affected by some mechanical conditions such as the application of an external constraint, like hypertension or trauma, but also by the presence of certain diseases, such as cancer, fibrosis, inflammation, Alzheimer’s disease, or simply with age. Palpation performed by the physician can detect these changes but this gesture is qualitative and can not access deep organs. MR-elastography remains a quantitative and robust method of high precision, which probes elasticity and viscosity of tissues. It consists in measuring the displacement field of a shear wave induced in the target organ by a phase contrast based MRI technique. The viscoelastic moduli are deducted after inversion of the wave equation. Nevertheless, the accuracy of this technique has not yet been fully established. MR-elastography is being implemented in routine clinical practice for patients with chronic liver diseases or to characterize tumors in the case of breast cancer. Application to other protected organs, such as the brain or lungs, is still in research area because of the difficulty to induce mechanical waves (natural protection of the skull or the rib cage). It is in this context that a part of my thesis work is involved: the establishment, characterization and optimization of a system inducing mechanical waves in deep organs. The original approach was to use anatomical pathways for bringing the pressure waves to the lungs or the brain, different from conventional approaches of traversing the protective barriers. This pressure wave generator allowed us to obtain wave amplitudes ranging from 6 µm to 30 µm in the whole brain, sufficient amplitudes to deduce the whole brain viscoelastic moduli. On the other hand, an important work has focused on the realization of an original scheme of patient motions correction in MR-elastography. We have brought out how these motions can cause a mismatch of the displacement field components, which need to be corrected. The proposed correction is composed of a first step whose purpose is to spatially realign all acquired volumes, then a second step to restore the displacement field components in the same orthonormal basis. We numerically and experimentally evaluated the bias when no corrections were applied to these data and the contribution of these two correction steps. A preliminary work on the study of the acquisitions reproducibility (particularly phase) was necessary. Finally, all the results of these two components have allowed us to realize elastography acquisitions of the whole brain and obtain quality displacement field maps. Thus, we showed the trend of mechanical waves to follow the brain fibers preferred directions, results that we started to compare to the observations made by DTI.

Le Syndrome d’Apnée Obstructive du Sommeil affecte 4 à 6 % de la population en France soit près de 3 millions de personnes. Toutefois, les techniques de diagnostic usuelles ne permettent pas de déterminer de façon précise les sites d’occlusion ni de décrire les interactions fluide-paroi qui jouent un rôle important dans les processus de fermeture des voies aériennes supérieures. Au cours de ce travail, un ensemble d’outil a été mis en œuvre pour explorer les mécanismes sous-jacents conduisant à une apnée obstructive. La détermination géométrique et la caractérisation mécanique des voies aériennes supérieures, d’une part, la mesure des écoulements dans ces dernières, d’autre part, ont été réalisées par imagerie par résonance magnétique de l’hydrogène, pour les tissus, de l’hélium-3 et du fluor-19 pour les gaz. Les données obtenues ont été exploitées tout d’abord dans un modèle numérique statique pour estimer les lois d’état locales et caractériser la compliance des voies aériennes supérieures, puis, dans un modèle monodimensionnel, prenant en compte l’interaction fluide-structure et la limitation de débit au cours de l’inspiration, pour localiser les sites potentiellement responsables d’un éventuel collapsus. Par ailleurs, les écoulements de gaz d’hélium-3 et d’hexafluorure de soufre ont été simulés afin de déterminer le potentiel de ces deux modalités d’imagerie de gaz pour l’étude des obstructions des voies aériennes. La faisabilité d’une imagerie statique et dynamique par résonance magnétique du fluor a été démontrée. Avec une densité du gaz traceur bien plus importante, cette dernière technique présente une plus grande sensibilité à l’obstruction. Cette thèse ouvre ainsi une nouvelle voie de diagnostic et de guide thérapeutique personnalisé pour ce syndrome. / Obstructive Sleep Apnea (OSA) is a common disorder occurring in almost 3 million French people. However, current diagnosis methods are not sufficient to precisely define obstructing sites and doesn't take into account the fluid structure coupling which plays an important role during upper airway closing. During this thesis, we developed a series of tools exploring upper airway closing process. On the one hand, a screening tool of the structure and the mechanical properties of the upper airway, and on the other hand, a screening tool exploring with dynamic images of inert gases flow into the upper airway, were obtained using conventional hydrogen MRI coupled to magnetic resonance elastography (MRE) and helium-3 or fluor-19 gases MRI, respectively. Geometric and biomechanical data obtained using MRI/MRE are injected into a numerical model given the compliance and the state law of upper airway. Contributions of anatomical restriction on airway collapse are also investigated using a multi-compartmental two-dimensional fluid structure interaction model during a breath inspiration to predicted airway mechanical changes and collapse pressures. Furthermore, helium 3 and sulfur hexafluoride flow was modeled at steady state using commercial finite volume software to evaluate potential feasibility to image upper airway collapsibility during OSA. First dynamic MR imaging using sulfur hexafluoride (SF6) was obtained showing the feasibility of this technique. Using SF6, 6 times denser than air, shows a higher sensibility to upper airway obstruction. This thesis opens a new imaging modality to probe and to diagnose upper airway obstruction.