Dans le cadre du développement des nanotechnologies pour les sciences de la vie et de la santé, les nanovecteurs magnétiques connaissent un essor considérable. Ces structures composites constituées de sphères polymériques encapsulant des nanoparticules magnétiques ou d`un coeur nanoparticulaire magnétique entouré d`une couverture organique présentent une combinaison de propriétés physico-chimiques et magnétiques très performante pour le diagnostic en imageries par exemple, notamment Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), ou la thérapie : vectorisation pharmaceutique ciblée, hyperthermie thérapeutique…L`obtention de tels vecteurs avec une taille nanométrique permet l`injection intraveineuse chez les patients et la propagation dans l`organisme, tout en augmentant l`action liée à la surface spécifique. Les présents travaux de doctorat ont porté sur deux familles importantes de nanovecteurs magnétiques : - des nanosphères de polymère biocompatible chargé en composé radioactivable et encapsulant des nanoparticules de magnétite, pour la thérapie tumorale - des agents de contraste pour l`IRM de l`inflammation vasculaire ou cérébrale chez la souris, constituée d`un coeur nanoparticulaire d`oxyde de fer (maghémite ou magnétite) entourée d`une enveloppe organique pour le ciblage de la région visée (ultrasmall superparamagnetic iron oxide – USPIO, en anglais) Pour cerner le comportement de ces nanovecteurs en interaction avec le milieu liquide de suspension, puis avec les régions ciblées dans l`organisme, une approche physique multiéchelle de leurs structure et propriétés a été développée. Les études structurales des nanovecteurs ont été menées à bien grâce à des développements innovants s`appuyant sur les microscopies électroniques à résolution nanométrique. Par l`application du mode Wet-STEM, un nouveau mode en transmission de microscopie électronique à balayage environnementale, l`image en transmission de la structure interne organique/nanoparticule(s) magnétiques(s) a été obtenue et les simulations d`images par méthode de Monte Carlo ont montré qu`une résolution nanométrique pouvait être obtenue. Pour les nanovecteurs en environnement tissulaire, on a utilisé la microscopie électronique en transmission (MET) pour laquelle on a fait varier le degré de coloration dans des préparations de tissus ex vivo inclus en résine ; on a ainsi obtenu les premières images MET en haute résolution (METHR) spatiale d`agents de contraste USPIO cristallisés dans les tissus de l`aorte ou la rate chez la souris athérotique. En combinant ces études structurales avec la mesure des propriétés magnétiques par SQUID, un suivi longitudinal d`agents USPIO injectés chez la souris pour l`IRM de la plaque d`athérome a été menée à bien dans l`aorte et la rate : les résultats ont été interprétés en terme d`agglomération de particules à taille variable en fonction du temps de séjour dans l`organisme et confrontés à un modèle in vitro de dégradation en milieu acide (métabolisme lysosomal). / As applications of nanotechnologies for life and health sciences get booming, magnetic nanovectors undergo a considerable development. Such composite structures made from polymer spheres encapsulating magnetic nanoparticles or from a nanoparticular magnetic core surrounded by an organic coverage exhibit a combination of physical, chemical and magnetic properties very appropriate for diagnostic by imaging such as Magnetic Resonance Imaging (MRI), or for therapy: targeted pharmaceutical vectorization, therapeutic hyperthermia... When such vectors exhibit a nanometric size, intravenous injection and easy spread in the body of the patients are allowed, while effects related to the specific surface area are increased. The present doctoral work was concerned by two important families of magnetic nanovectors: - nanospheres of biocompatible polymer having loaded a radioactivable compound for tumoral therapy and having encapsulated magnetite nanoparticles for diagnostic by MRI: a system for thera-diagnostic is thus obtained.- contrast agents for MRI of vascular or cerebral inflammation, consisting of a nanometric iron oxide (maghemite or magnetite) core i.e. ultrasmall superparamagnetic iron oxide – USPIO - surrounded by an organic coverage for targeting the affected region. These USPIO were used to study inflammation in the atherotic plaque of the aorta in a murine model.Most of the time, such nanovectors are administered to the patients in liquid suspensions by intravenous injection. It is thus crucial to characterize both the collective behaviour and the individual structure of the vectors in liquid suspension. On the other hand their interactions with the targeted regions in the body have to be understood. For this purposes, a multiscale approach of the structure and properties of such nanovectors has been developed, with structural studies carried out through innovative developments based on electron microscopies down to subnanometric resolution and correlated with physical properties. To achieve characterization of nanovectors in liquid media we have developed the application of Wet-STEM, a new mode in transmission of environmental scanning electron microscopy (ESEM), to image the internal structure of the magnetic nanoparticles in liquid suspension and image calculations by Monte Carlo simulations have shown that a nanometric resolution could be theoretically achieved. By the same technique, stability or tendency to flocculation in suspensions can be evidenced with respect to the collective behavior of different nanovectors.In a second step we have investigated the interactions of the nanoparticles with targeted regions. The biodistribution and biotransformation of the USPIO contrast agents in the tissular and cellular environments were investigated at increasing spatial resolution using different techniques. The biodistribution of a MRI contrast agent grafted with a fluorophore, in ex vivo samples from atherotic aorta and spleen were revealed by biphoton microscopy with a resolution of a few hundred nanometers, down to macrophage scale. Then preparation of ex vivo samples for transmission electron microscopy (TEM) was adapted from standard protocols especially with respect to staining after inclusion in resin. This way, the first high resolution HR(TEM) images and electron diffraction patterns of crystallized USPIO contrast agents in the aorta or the spleen of an atheromatous mouse were obtained. Combining such structural studies with measurement (using a SQUID setup) of magnetic properties, a longitudinal follow-up of USPIO nanoparticles injected in mice for MRI of the atherotic plaque has been completed for USPIO particles embedded in the aorta and the spleen: the results were interpreted in terms of agglomeration of the particles with a decreasing size depending on time after injection and found consistent with a model of in vitro degradation in acidic environment proposed to mimick the lysosomal metabolism.

Dans ce travail de recherche doctorale, l’IRM des poumons à temps d'écho courts dite UTE (Ultra-short EchoTime) a été utilisée pour détecter le signal RMN du tissu pulmonaire afin de caractériser et étudier des modèlesexpérimentaux de maladies pulmonaires chez les rongeurs (rats et souris). En particulier, la technique radialeUTE a été appliquée pour détecter des biomarqueurs dans des modèles de broncho-pneumopathie chroniqueobstructive (BPCO) induite expérimentalement chez les rongeurs. La détection du signal RMN en provenancedu parenchyme pulmonaire a fourni de précieux indicateurs de la maladie associés à l'élargissement des alvéolespulmonaires et aux processus inflammatoires. De plus, la simplicité de mise en oeuvre de cette technique(absence de synchronisation cardiaque et pulmonaire) permet de réduire les temps d’acquisition et apparait bienadaptée aux études longitudinales. La mesure répétée du centre de l’espace-k à chaque temps de répétition de laséquence a été utilisée pour développer une méthode de post-synchronisation reposant sur la détection desmouvements cardio-respiratoires, et permettant de produire des images sans artefacts de mouvement. / In this work, ultra-short echo time (UTE) MR imaging of the lungs is presented as a way of detecting pulmonaryMRI signal, thus providing an opportunity to develop new imaging tools for the investigation of experimentalmodels of lung diseases in rodents. The UTE imaging technique (TE=450 μs) was implemented on a 4.7 Tscanner and applied to detect indicators of Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) inducedexperimentally in rodents. The improved signal detection from the lung parenchyma provided valuable markersof disease associated with airspace enlargement and inflammation. When used to investigate of inflammationspecificity, this technique had advantages when delineating regions of early cellular infiltration into the site ofinflammation. In the case of edematous signal quantification, the UTE technique was explored to improve thereliability of the volumetric measurements. This technique was demonstrated to be of use when easy protocolimplementation (relatively high throughput and low-cost experiments) and longitudinal studies (limitedinterference with physiopathology) are of concern. The repetitive probing of the k-space center with a temporalresolution of the sequence's repetition time achieved with this technique was used to develop a self-gatingmethod which relies on the tracking of cardio-respiratory motions, yielding images free from motion artifacts.

L'efficacité des nanoparticules AGuIX a été démontré avec des irradiations précliniques ou monoénergétiques pour les cancers du cerveau, tête et cou, et poumon. L'irradiation préclinique de faible énergie (220 kV), et l'irradiation clinique (6 MV) sont adaptées pour activer les nanoparticules. L'effet radiosensibilisant des nanoparticules métalliques étant principalement causé par effet photoélectrique, il est nécessaire d'utiliser des photons d'énergie proche de la raie K du gadolinium (50.2 keV) afin de créer une interaction avec les électrons de l'atome dans le but d'amplifier localement la dose autour des nanoparticules aboutissant à des effets biologiques menant à une augmentation de la mort cellulaire. Dans le cadre de cette thèse, nous avons réalisé une preuve de concept sur le cancer du pancréas, connu pour son faible taux de survie, avec machines précliniques et cliniques. Afin de relever le défi du passage en clinique, nous avons proposé une méthode pour créer un adoucissement du faisceau d'irradiation et démontré la possibilité d'utiliser les nanoparticles AGuIX pour un essai clinique. Les travaux de recherche ont été réalisés en trois temps : un calcul analytique permettant d'obtenir une information sur l'influence des différents paramètres d'irradiation, une confirmation de l'efficacité des nanoparticules avec faisceaux précliniques, et enfin une preuve de concept avec faisceaux cliniques. Notre étude avec faisceaux cliniques est la première étude réalisée démontrant l'efficacité de nanoparticules de gadolinium passivement ciblées vers la tumeur, et démontre qu'il est possible d'obtenir des résultats cliniques similaires à ceux obtenus en préclinique / Previous studies demonstrated AGuIX ability to act as an efficient radiosensitizer under the presence of preclinical radiations or monoenergetic radiation beams for multiple cancer models. The preclinical irradiation (220 kV) has been shown effective in activating high atomic number (Z) nanoparticles. The energy peak is close to the k-edge of the different high-Z elements used (50.2 keV for the gadolinium), leading to a strong photoelectric effect. Auger electrons generation and biological effects occur afterwards creating a local dose enhancement. However, clinical treatments use a higher energy beam (>6 MV). At these energy ranges, the photoelectric probability is less important, decreasing the direct interaction of the nanoparticles with the incoming photons. We performed a proof of concept on a pancreatic tumor model, known for its low survival rates, with preclinical and clinical radiation beams to evaluate the efficacy of the AGuIX. To increase the efficacy of the clinical radiation beam without modifying the nanoparticle structure in order to obtain a dose enhancement close to the one observed with the preclinical beam, we evaluated key clinical beam parameters to understand and increase the mechanisms of interaction between the incident photons and the high-Z nanoparticles. Hence, we evaluated analytically the impact of the radiation beam under different conditions of irradiation, confirming the potential of the AGuIX with a preclinical beam, and finally shown their significant efficacy under a clinical setup. This study is the first to evaluate the potential of a high-Z nanoparticle to act as radiosensitizer following low dose intravenous injections

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquent chez l'homme en Europe, néanmoins il n'existe actuellement pas de technique d'imagerie permettant de détecter avec précision les tumeurs dans la glande. Sachant que les coupes histologiques contiennent la réalité de terrain concernant le diagnostic, il est nécessaire de recaler les images de chaque technique d'imagerie aux coupes histologiques afin de pouvoir les évaluer. De plus, comme il n'existe pas de méthode permettant de contrôler précisément le plan de coupe histologique, le recalage doit être considéré comme un problème 3D. Un dispositif permettant de réaliser, de manière rapide et standardisée, des marqueurs internes dans les coupes histologiques a été développé, de même qu'un algorithme permettant de détecter automatiquement ces marqueurs, de les identifier et d'aligner les coupes histologiques. La méthode a été testée sur 10 prostates, avec en moyenne 19.2 coupes par prostate, et a permis d'obtenir une précision de recalage moyenne de 0.18 ± 0.13 mm au niveau des marqueurs. Un deuxième algorithme a été développé pour recaler les coupes histologiques, une fois alignées, avec les images IRM. Ce recalage a été conçu pour être guidé par les canaux éjaculateurs, un repère anatomique présent dans chaque prostate et visible à la fois en histologie et dans les images IRM cliniques, acquises avec une résolution standard. L'algorithme a d'abord été testé en s'appuyant sur les marqueurs artificiels. La précision obtenue pour le recalage était en moyenne de 0.45±0.25 mm au niveau des marqueurs et de 1.04 ± 0.21 mm au niveau des canaux éjaculateurs. L'algorithme a enfin été testé en guidant le recalage à l'aide de la position des canaux éjaculateurs. La précision moyenne obtenue était alors de 0.16±0.05 mm au niveau des canaux éjaculateurs et de 2.82±0.41 mm au niveau des marqueurs. Ces résultats suggèrent une valeur du facteur de rétrécissement de l'ordre de 1.07±0.03 et une inclinaison vis à vis du plan de coupe histologique de l'ordre de 13.6◦ ± 9.61◦, avec une variance importante pour ces deux paramètres / Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer of men in Europe, yet no current imaging technique is capable of detecting with precision tumours in the prostate. The histology slices are the gold standard for the diagnosis. Therefore, in order to evaluate each imaging technique, the histology slices must be precisely registered to the imaged data. As it cannot be assumed that the histology slices are cut along the same plane as the imaged data is acquired, the registration must be considered as a 3D problem. An apparatus has been developed that enables internal fiducial markers to be created in the histology slices in a rapid and standardised manner. An algorithm has been developed that automatically detects and identifies these markers, enabling the alignment of the histology slices. The method has been tested on 10 prostate specimens, with 19.2 slices on average per specimen. The accuracy of the alignment at the fiducial markers was on average 0.18±0.13 mm. A second algorithm was developed to 3D register the aligned histology slices with the MR images. The registration is designed to be guided by the ejaculatory ducts, an anatomical landmark present in every prostate and visible in both histology and MR images acquired at standard clinical resolution. The algorithm was first tested by using the fiducial needles to guide the registration. The average registration accuracy was 0.45 ± 0.25 mm at the fiducial needles and 1.04±0.21 mm at the ejaculatory ducts. The algorithm was then tested by using the ejaculatory ducts to guide the registration. The average registration accuracy was 0.16±0.05 mm at the ejaculatory ducts and 2.82 ± 0.41 mm at the fiducial needles. The results suggest that the histology shrinkage factor is of the order 1.07±0.03 and the tilt of the histology slicing plane is 13.6◦ ±9.61◦, with both parameters showing significant variance

L'hadronthérapie est une technique innovante de radiothérapie par ions carbone ou protons visant à améliorer les traitements actuels. La précision balistique accrue renforce la nécessité d'un contrôle du dépôt de dose, si possible en temps réel. Une manière de réaliser ce contrôle est de détecter avec une caméra Compton le gamma prompt émis lors des fragmentations nucléaires pendant l'irradiation du patient. Dans un premier temps, la géométrie de deux types de caméra Compton (double diffusion puis simple diffusion) a été optimisée par simulation Monte Carlo. Cette optimisation a été réalisée en étudiant la réponse des caméras à une source ponctuelle de photons avec un spectre en énergie réaliste. La réponse de la caméra optimisée à l'irradiation d'un fantôme d'eau par un faisceau d'ions carbone ou de protons a ensuite été simulée. Ces simulations ont tout d'abord été confrontées à des mesures effectuées avec un prototype de taille réduite. Ces mesures ont ensuite été utilisées pour évaluer les taux de comptage dans les détecteurs attendus en conditions cliniques. Dans la configuration actuelle de la caméra, ces taux sont élevés et les phénomènes d'empilement risquent d'être problématiques. Enfin, il est démontré que le dispositif étudié est sensible à un déplacement du pic de Bragg de plus ou moins 5 mm malgré les problèmes de coïncidences fortuites et malgré le bruit introduit par l'algorithme de reconstruction utilisé. / Ion beam therapy is an innovative radiotherapy technique using mainly carbon ion and proton irradiations. Its aim is to improve the current treatment modalities. Because of the sharpness of the dose distributions, a control of the dose if possible in real time is highly desirable. A possibility is to detect the prompt gamma rays emitted subsequently to the nuclear fragmentations occurring during the treatment of the patient. In a first time two different Compton cameras (double and single scattering) have been optimised by means of Monte Carlo simulations. The response of the camera to a photon point source with a realistic energy spectrum was studied. Then, the response of the camera to the irradiation of a water phantom by a proton beam was simulated. It was first compared with measurement performed with small-size detectors. Then, using the previous measurements, we evaluated the counting rates expected in clinical conditions. In the current set-up of the camera, these counting rates are pretty high. Pile up and random coincidences will be problematic. Finally we demonstrate that the detection system is capable to detect a longitudinal shift in the Bragg peak of +or- 5 mm, even with the current reconstruction algorithm.

Bien qu'outil de référence pour le diagnostic et le suivi de la SEP, l'IRM conventionnelle ne reste que modérément corrélée à l'état clinique du patient. Afin de mieux caractériser les altérations pathologiques, nous employons dans ce travail les techniques d'IRM dites non conventionnelles que sont la spectroscopie par résonance magnétique (SRM) et l'IRM de diffusion. Un premier suivi hebdomadaire, a permis de mettre en évidence la sensibilité des métriques de diffusion et la spécificité de la SRM pour détecter les processus initiaux de la formation d'une lésion.Un second suivi a permis de mettre en évidence des modifications de la diffusivité dans plusieurs faisceaux de substance blanche, avec notamment une diminution de la fraction d'anisotropie et une augmentation de diffusivité radiale, s'aggravant avec l'avancée de la maladie et plus marquée dans les formes progressives.Enfin, l'application de la théorie des graphes a permis de caractériser la connectivité cérébrale dans les quatre formes cliniques et d'étudier leur évolution. Cette étude a permis de mettre en évidence des altérations dans tous les phénotypes cliniques, avec notamment une diminution de la densité du réseau cérébral, plus importante dans les formes progressives de la maladie et tendant à s'accentuer avec la progression de la maladie.Ce travail montre la sensibilité des techniques avancées d'IRM pour la caractérisation des altérations pathologiques et de leur évolution dans la SEP / While conventional MRI is the reference tool for the diagnosis and monitoring of MS, it remains only moderately correlated with the patient’s clinical status. In order to better characterize pathological alterations occurring in MS, we use in this work non-conventional MRI techniques, namely magnetic resonance spectroscopy (MRS) and diffusion MRI.A first weekly follow-up revealed the sensitivity of the diffusion metrics and the specificity of the SRM to detect the initial processes of lesion formation.A second follow-up revealed changes in diffusivity in several white matter fiber bundles, including a decrease in fraction of anisotropy and an increase in radial diffusivity, worsening with advancing disease and more marked in the progressive forms.Finally, the application of graph theory allowed to characterize the brain connectivity in the four clinical forms and to study their evolution. This study allowed us to highlight alterations in all the four clinical phenotypes, including a decrease in the cerebral network density, more marked in the progressive forms of the disease and tending to increase with its progression.This work shows the sensitivity of advanced MRI techniques for the characterization of pathological alterations and their evolution in MS

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

Ce travail de thèse a pour but de développer et de caractériser de nouveaux systèmes d'assurance qualité en curiethérapie, à base de sondes dosimétriques en Nitrure de Gallium (GaN). L'étude comprend d'une part la caractérisation et la simulation du transducteur GaN et de la sonde dosimétrique, et d'autre part la mise en œuvre et les tests de 2 systèmes d'assurance qualité.Les propriétés de radioluminescence du transducteur GaN ont été étudiées afin d'optimiser le signal dosimétrique des sondes. La sonde dosimétrique encapsulant un petit volume de cristal GaN a ensuite été caractérisée en vue de son intégration dans des systèmes d'assurance qualité. Des simulations Monte Carlo sur la sonde GaN ont également été effectuées et comparées aux mesures.Pour l'assurance qualité en curiethérapie, nous avons proposé une méthode utilisant plusieurs sondes GaN, pour permettre de déterminer en temps réel les principaux paramètres physiques d'un projecteur de source : la position, le temps de pause et l'activité de la source. Nous avons conçu et réalisé deux prototypes de systèmes d'assurance qualité mettant en œuvre cette méthode : un fantôme instrumenté pour le contrôle prétraitement et un applicateur gynécologique instrumenté pour le contrôle pendant le traitement. Ces deux prototypes ont été testés en conditions cliniques, et leurs principales caractéristiques sont satisfaisantes. Ils répondent aux besoins applicatifs et offrent une perspective intéressante pour de nouveaux outils de contrôle qualité en curiethérapie / This work aims to develop and characterize novel quality assurance systems based on Gallium Nitride (GaN) dosimeter probe for brachytherapy. It includes characterization and simulation studies of the GaN transducer and of the dosimeter probe as well as the implementation and testing of two quality assurance system prototypes.The radioluminescence properties of the GaN transducer have been studied for optimization of the dosimeter response. Characterization studies of dosimeter probes incorporating miniaturized GaN transducers have been carried out in the frame of the quality assurance systems development. Monte Carlo simulations of the GaN probe under irradiation has also been performed and compared with measurements.A method which processes simultaneously the output signals from several GaN probes has been proposed for real time determination of the projector’s physical parameters (dwell position, dwell time and activity of the source). Two quality assurance system prototypes implementing this method have been designed and fabricated: an instrumented phantom for pre-treatment quality assurance and an instrumented gynecological applicator for in vivo quality control. These two prototypes have been tested and evaluated in clinical conditions and their main characteristics are satisfactory. Both systems are in line with the application requirements and offers new perspectives for quality assurance in brachytherapy

La radiothérapie externe est un traitement anticancéreux locorégional efficace et curatif. Néanmoins, il y a toujours des malades qui meurent de tumeurs locales non-contrôlées. Les nouvelles techniques en radiothérapie visent toujours à trouver un moyen d'augmenter la dose à la tumeur tout en réduisant au minimum la dose aux tissus sains adjacents. Une des dernières techniques innovantes est l'hadronthérapie par ions carbone. Ces dix dernières années ont vu augmenter le nombre de nouveaux centres d hadronthérapie dans le monde avec des faisceaux d'ions carbone, forts des résultats promettant des projets pilotes Berkeley (USA), Chiba (Japon) et Darmstadt (Allemagne). Les avantages théoriques des ions carbone sont: une meilleure balistique et une meilleure efficacité dans la destruction des cellules tumorales. Ainsi cette technique a le potentiel d'augmenter le contrôle des tumeurs, particulièrement pour celles inopérables et radiorésistantes. Les effets biologiques varient le long de la trajectoire des ions de haut TEL (Transfert d'´Énergie Linéique) comme les ions carbone. Ainsi des modèles radiobiologiques sont nécessaires pour quantifier les effets biologiques. Il existe plusieurs modèles radiobiologiques qui reposent sur des approches et des approximations théoriques différentes. Ces modèles ont été développés au sein de chacune des institutions où se déroulaient les projets pilotes. Au stade actuel des connaissances, il semble peu probable d'atteindre une rapide convergence des résultats produits par ces différents modèles. Parmi les modèles radiobiologiques utilisés en clinique, il y a le Local Effect Model (LEM), développé en Allemagne et implémenté dans les systèmes de planification de traitement certifiés CE, le modèle de la National Institute of Radiological Science (NIRS), employé dans les centres japonais d'hadronthérapie possédant un système d'irradiation passif, et le Microdosimetric Kinetic Model (MKM) employé dans les centres japonais d'hadronthérapie possédant un système d'irradiation actif en mode pencil beam scanning / External beam radiotherapy (EBRT) is a therapy technique aiming at treating locoregional tumors with high efficiency. However, many tumors remain uncontrolled. Newest EBRT techniques always aim at increasing the dose to the tumor while sparing the surrounding healthy tissues. Carbon-ion beam therapy is one of these promising techniques. The number of clinical centres offering carbon-ion beam radiotherapy has been increasing over the world for the last decade. This keen interest spread after very promising results from pilot projects at Berkeley (USA), Chiba (Japan) and Darmstadt (Germany). The theoretical advantages of carbon-ionsare better spatial selectivity in dose deposition and better efficiency in cell killing. They have thus the potential to increase the control of tumors, particularly for unresectable radioresistant tumors. In high linear-energy-transfer (LET) radiations, such as carbon-ion beams, biological effects vary along the ion track, hence, to quantify them, specific radiobiological models are needed. There exist several radiobiological models based on very different theoretical approaches and approximations. They were created and improved in each of the pilot institutions. At the current state of knowledge, no convergence between the model results seems to be possible in the very near future. Clinically employed radiobiological models are the Local Effect Model (LEM) developed in Germany and implemented in CE-certified treatment planning systems, the National Institute of Radiological Science (NIRS) model employed in Japanese centres with passive beam delivery systems and the microdosimetric kinetic model (MKM) in Japanese centres with active scanning beam delivery systems

Les modèles humains numériques sont devenus des outils indispensables à l’étude de la posture est du mouvement dans de nombreux domaines de la biomécanique visant des applications en ergonomie ou pour la clinique. Ces modèles intègrent une représentation géométrique de la surface du corps et un squelette filaire interne composé de segments rigides et d’articulations assurant leur mise en mouvement. La personnalisation des mannequins s'effectue d’abord sur les dimensions anthropométriques externes, servant ensuite de données d’entrée à l’ajustement des longueurs des segments du squelette en interne. Si les données externes sont de plus en plus facilement mesurables à l’aide des outils de scanning 3D actuels, l’enjeu scientifique est de pouvoir prédire des points caractéristiques du squelette en interne à partir de données uniquement externes. L’Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Arts et Métiers ParisTech) a développé des méthodes de reconstruction des os et de l’enveloppe externe à partir de radiographies biplanes obtenues avec le système basse dose EOS. En s’appuyant sur cette technologie, ces travaux ont permis de proposer de nouvelles relations statistiques externes-internes pour prédire des points du squelette longitudinal, en particulier l’ensemble des centres articulaires du rachis, à partir d’une base de données de 80 sujets. L'application de ce travail pourrait permettre d’améliorer le réalisme des modèles numériques actuels en vue de mener des analyses biomécaniques, principalement en ergonomie, nécessitant des informations dépendant de la position des articulations comme les mesures d’amplitude de mouvement et de charges articulaires / Digital human models have become instrumental tools in the analysis of posture and motion in many areas of biomechanics, including ergonomics and clinical settings. These models include a geometric representation of the body surface and an internal linkage composed of rigid segments and joints allowing simulation of human movement. The customization of human models first starts with the adjustment of external anthropometric dimensions, which are then used as input data to the adjustment of internal skeletal segments lengths. While the external data points are more readily measurable using current 3D scanning tools, the scientific challenge is to predict the characteristic points of the internal skeleton from external data only. The Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Arts et Métiers ParisTech) has developed 3D reconstruction methods of bone and external envelope from biplanar radiographs obtained from the EOS system (EOS Imaging, Paris), a low radiation dose technology. Using this technology, this work allowed proposing new external-internal statistical relationships to predict points of the longitudinal skeleton, particularly the complete set of spine joint centers, from a database of 80 subjects. The implementation of this work could improve the realism of current digital human models used for biomechanical analysis requiring information of joint center location, such as the estimation of range of motion and joint loading