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L'imagerie médicale joue un rôle majeur dans l'identification, la caractérisation et le bilan d'extension des lésions tumorales du système ostéo-articulaire. La grande majorité de ces néoplasies est bénigne et il est important de savoir les reconnaître et les distinguer des lésions malignes. Ces dernières ont un pronostic beaucoup plus sombre et sont l'objet d'une prise en charge nettement plus agressive. L'IRM est actuellement la technique de choix pour l'évaluation des tumeurs ostéo-articulaires. Malgré une très haute sensibilité pour la détection des tumeurs osseuses et des parties molles, un grand nombre de lésions identifiées ne sont pas caractérisables. Récemment des nouvelles techniques d'imagerie fonctionnelle sont apparues permettant une évaluation tumorale au niveau biochimique et cellulaire. Ces techniques, initialement conçues pour l'évaluation des tumeurs cérébrales comme la perfusion, la diffusion et la spectroscopie ont commencé à être utilisées pour l'évaluation des néoplasies ostéo-articulaires avec des résultats préliminaires prometteurs. Parallèlement, avec le développement en scanner de systèmes de détection à large surface et l'échographie de contraste, l'étude de la perfusion tumorale basée sur ces méthodes est plus accessible en pratique courante. L'imagerie fonctionnelle reste, néanmoins peu accessible en dehors de la recherche. Des difficultés techniques inhérentes à l'application clinique de ces nouvelles méthodes et l'hétérogénéité histologique des tumeurs ostéo-articulaires constituent encore un obstacle important. Dans ce travail la performance diagnostique de plusieurs méthodes d'imagerie fonctionnelle en pratique courante a été évaluée. En autre, des améliorations permettant une augmentation de la qualité d'image et une réduction des artéfacts des méthodes fonctionnelles ont été testées. Secondairement, les performances diagnostiques de différentes méthodes de perfusion tumorale (échographie, tomodensitométrie et imagerie par résonance magnétique) ont été comparées / Medical imaging plays a major role in the identification, characterization and staging of tumor lesions of the musculoskeletal system. The vast majority of these neoplasms are benign and it is important to recognize and distinguish them from malignant lesions. Malignant lesions carry a worse prognosis and are usually treated aggressively. MRI is currently the method of choice for evaluating musculoskeletal tumors. Despite a high sensitivity for the detection of bone and soft tissue tumors, a large number of identified lesions remain indeterminate in origin after imaging work-up. In recent years, new functional imaging techniques, which allow tumor evaluation in a biochemical and cellular level, have emerged. These techniques such as perfusion, diffusion weighted imaging and MR spectroscopy, originally designed for the evaluation of brain tumors, began to be used for the evaluation of musculoskeletal neoplasms with promising preliminary results. Meanwhile, with the development of wide area-detector CT systems and contrast enhanced ultrasound (CEUS) new ways of assessing tumor perfusion became available in clinical practice. Functional imaging nevertheless remains largely inaccessible outside research oriented imaging centers. The clinical application of these new methods is hindered by various factors, which include the great histological heterogeneity of musculoskeletal tumors and patient related technical difficulties. In this project, the diagnostic performance of several functional imaging methods in clinical practice was assessed. Additionally tools for image quality improvement and artifact reduction were tested. Finally, the diagnostic performance of different perfusion methods (ultrasound, computed tomography and magnetic resonance imaging) was compared

L’objectif principal de ce travail de thèse a été de caractériser les effets de l’anti-VEGF Bevacizumab (Avastin) sur le réseau vasculaire tumoral in vivo, au cours du temps, à l’aide du modèle de la chambre dorsale chez la souris nude. Les images du réseau vasculaire tumoral acquises par microscopie intravitale ont été analysées par un algorithme de traitement d’images développé au sein de notre équipe, permettant de mettre en évidence les modifications morphologiques induites par le traitement et d’isoler des paramètres discriminants de la « normalisation » vasculaire, par comparaison à un réseau vasculaire sain. La période de « normalisation » vasculaire détectée par notre outil a été confortée par l’analyse de la fonctionnalité des vaisseaux sanguins au cours du temps, in vivo et par une analyse immunohistochimique des vaisseaux sanguins tumoraux et du tissu tumoral. A travers des essais préliminaires in vivo, en regard des résultats de ce travail concernant une fenêtre de "normalisation", nous avons cherché à vérifier l'hypothèse d'un bénéfice d'un traitement anti-VEGF préalablement à la thérapie photodynamique (PDT) sur des tumeurs de glioblastome xénogreffées en sous-cutané et en chambre dorsale. L'efficacité de la PDT est décrite comme étant dépendante d'une d'oxygénation tumorale suffisante et d'une distribution maximale de l'agent photosensibilisant au coeur des tumeurs. Parallèlement à ces travaux, nous avons cherché en équipe pluridiscilinaire à développer un modèle mathématique de la réponse au bevacizumab à partir de données biologiques réelles obtenues sur le même modèle in vivo et permettant pour l'avenir de simuler les réponses à différentes doses et différentes durées de traitement, toujours à des fins d'optimisation des protocoles thérapeutiques / The main aim of this work was to characterize the effects of the anti-VEGF Bevacizumab (Avastin) on the tumor vascular network, in vivo, over time, thanks to the skin fold chamber model on the nude mouse. Images of the vascular network obtained using intravital microscopy were analyzed par a dedicated image processing algorithm developed within our research team, allowing to highlight the morphological modifications induced by the treatment and to isolate discriminating parameters of the vascular "normalization", by comparison to healthy vascular networks. Le vascular "normalization" period detected with our tool was comforted by the analysis of the functionality of the blood vessels over time, in vivo and by an immunohistochemical analysis of the blood vessels and of the tumor tissue. In preliminary in vivo experiments, we tried to verify the hypothesis of the benefits of an anti-VEGF treatment prior to photodynamic therapy (PDT) on glioblastoma xenografts implanted subcutaneously or in the skin fold chamber. The efficacy of PDT is described as being dependent on tumor oxygenation and on the distribution of the photosensitizing agent within the tumor. In paralel to this work, we tried as a pluridisciplinary team to develop a mathematical model of the tumor response to bevacizumab using biological data obtained on the same in vivo model et that will allow in the future to simulate the response for different doses and different treatment durations, for the optimization of therapeutic protocols

Le but de ce travail est l'étude de la bioimpédancemétrie appliquée à des populations particulières de néphrologie (hémodialyse, insuffisance rénale et transplantation), afin d'évaluer l'apport de cette technique et les facteurs d'influence modifiant la mesure ou son interprétation. Nous avons pu identifier (à travers deux appareils d'impédancemétrie) plusieurs profils de patients, selon leurs « réponses » à la technique de bioimpédance, en fonction des séances d'hémodialyse, de l'âge, des comorbidités, de matériel implantable, de la fonction rénale après transplantation. Il y a une bonne validité des données physiques mesurées. Sur les valeurs calculées, il y a des valeurs aberrantes, tant sur les volumes hydriques que sur le diagnostic d'hydratation (calcul de l'excès d'eau). La principale hypothèse est l'existence d'algorithmes dans les logiciels, établis sur des populations caractéristiques, et avec de nombreux facteurs correctifs, mais qui restent inadaptés dès que le sujet mesuré s'éloigne un peu de ces patients « normés ». La présence de matériel dans le corps humain influencerait les mesures et rendrait les algorithmes inadaptés. Ce travail nous amène à conclure que quelque soit le logiciel, donc l'appareil utilisé, le patient devrait être son propre témoin de mesure, hypothèse non vérifiée dans la littérature. Enfin, le deuxième point de recherche pourrait être la notion d'une fréquence tissulaire propre à chacun, autre que la classique fréquence de 50 kHz, celle théorique à laquelle l'effet capacitif membranaire est maximal, et caractérise donc la cellule. Notre étude montre que cette fréquence est loin d'être de 50 kHz. Les études restent à faire / The goal of this work is to study bioimpedance through different and particular people in nephrology (hemodialysis, renal disease or kidney graft), to assess this electrical engineering and the factors of onfluence that can change the measures or their meaning. We succeed to identify (through two bioimpedance instrument) several profiles of patients, according to their "response and behaviour" to this bioimpedance technique, depending on hemodialysis sessions, age, morbidity, presence of electrical device or after kidney transplantation. Through our population, we find a good validity of the electrical and physical measures. But when the values body composition are calculated from the electrical data, there is often aberrant values, concerning body composition, fluid compartment or the excess water. The main hypothesis is the existence of algorithms in the devices, compiled from statistics on healthy populations, with several corrective factors, but these algorithms probably don't fit with "particular" population. This work allows us to propose that what are the devices used, the patient might be his own measure witness. There is no study in the literature. Finally, an idea could be the existence of a specific tissue frequency, specific to each one, and different from the theoretical frequency of 50 kHz. This 50 kHz frequency corresponds to the highest cell membrane capacity and so characterizes the cell. Our study shows that the frequency corresponding to this highest reactance is precisely not 50 kHz. The hypothesis is the existence of a own characteristic frequency. Sudies remain to be done

Le travail de thèse est consacré aux interactions spatio-, temporo- et spectro- résolue de laser avec des tissus biologiques. L'objectif de cette thèse était d'étudier l'influence des nanoparticules colloïdales embarqués dans les tissus biologiques multicouches sur leurs propriétés optiques afin de fournir plus profond et / ou plus précise de sondage. Pour ce faire, les paramètres spectroscopiques intégrales et durée de vie de fluorophore dans les environs de nanoparticules métalliques ont été analysées théoriquement et expérimentalement. L’autre partie de l'étude était de proposer de nouvelles solutions algorithmiques pour l'amélioration de la performance du processus d'estimation des valeurs des propriétés optiques de la résolution spatiale des mesures spectroscopiques. La dernière partie de la thèse est la modélisation expérimentale et théorique de la cinétique de fluorophores en présence des nanoparticules d'or colloïdales. La composante ultra-courte pico-seconde (environ 100 ps) a été résolue et a été corrélée à champ dipolaire forte des nanoparticules qui compense le dipôle de la molécule / The thesis work is devoted to spatially-, temporally- and spectrally- resolved laser and biological tissue interactions. The aim of the present thesis was to investigate the influence of colloidal nanoparticles embedded into multilayered biological tissues on their optical properties in order to provide deeper and/or more precise probing. To do so, the integral spectroscopic parameters and lifetime of fluorophore in vicinity of metal nanoparticles were analyzed theoretically and experimentally. Another part of the study was to propose new algorithmic solutions for improving the performance of the estimation process of the optical properties values from spatially resolved spectroscopic measurements. The last part of the thesis was the experimental and theoretical modelling of fluorophore’s kinetics in presence of colloidal gold nanoparticles. The ultra-short pico-second component (around 100 ps) was resolved and correlated to strong nanoparticles dipole field which is compensating the molecule’s dipole

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανασκόπηση της διαδικασίας της ευθυγράμμισης ιατρικών εικόνων, οι εξέταση των λόγων που την καθιστούν απαραίτητη για την ιατρική κοινότητα και οι ιδιαιτερότητες των ιατρικών εικόνων που θέτουν το ζήτημα της αναγκαιότητας ελαστικών τροποποιήσεων. Αρχικά πραγματοποιείται η παρουσίαση των επικρατέστερων μεθόδων ευθυγράμμισης και των σταδίων υλοποίησής τους. Γίνεται σύγκριση των άκαμπτων και των ελαστικών μεθόδων, καθώς και προτείνονται ερευνητικές προοπτικές για τη βελτίωση των τεχνικών. Στην παρούσα εργασία δίνεται έμφαση στον ελαστικό μετασχηματισμό Thin Plate Splines, γίνεται ανάλυση του μαθηματικού μοντέλου υλοποίησής του και προτείνεται μία μέθοδος βελτίωσης για την αυτόματη επιλογή και αντιστοίχιση σημείων ελέγχου. Στη συνέχεια πραγματοποιείται υλοποίηση τρισδιάστατου αφινικού και ελαστικού μετασχηματισμού για την ευθυγράμμιση τεχνητών και κλινικών ιατρικών δεδομένων. Γίνεται ποιοτική και ποσοτική σύγκριση των αποτελεσμάτων και αξιολογείται η αποτελεσματικότητα των μεθόδων σε σχέση με τα χαρακτηριστικά των διαφορετικών δεδομένων που επεξεργάζονται και τον αριθμό των σημείων που επιλέγονται. Τα κριτήρια που χρησιμοποιούνται είναι ποιοτικά και ποσοτικά, και αφορούν την ποιότητα της ευθυγράμμισης καθώς και το χρόνο εκτέλεσης των αλγορίθμων. / The current diploma thesis deals with the image registration process for medical images. The reasons that make image registration necessary to the medical community are considered, as well as the particularities of the medical images that make elastic transformation an absolute requirement. As a first stage, a presentation of the predominant registration methods takes place. Non-rigid and rigid methods are compared, and prospects for the improvement of the methods are proposed. Emphasis is placed on the elastic transformation with the use of Thin Plate Splines, the mathematical model for its algorithm design is analyzed, and a method for its optimization based on automatic points correspondences is presented. 3D Affine and TPS registrations are applied on both artificial and clinical medical data. The registration results are evaluated by qualitative and quantitative criteria, and the effectiveness of the algorithms is compared through application on the different data types and control points selections. The registration is overall evaluated for effectiveness and execution time.

La télédermatologie présente plusieurs avantages par rapport aux consultations traditionnelles en cabinet avec un dermatologue. Elle est particulièrement utile pour faciliter l'accès aux soins dermatologiques pour les patients ayant des problèmes de mobilité ou habitant loin des secteurs géographiques médicalisés. Un schéma de mosaïquage automatique d’images dédié à la création des panoramas étendus des vidéo-séquences de peau est proposé pour surmonter les limitations posées par le champ de vue réduit des images stationnaires acquises par les dispositifs actuellement utilisés. Les vidéo-séquences utilisées à cet effet sont acquises en utilisant un dispositif spécialement conçu pour un rendu colorimétrique contrôlé de la surface de la peau. Après une étude des diverses méthodes de recalage d'images existantes, une approche optimale est proposée, avec un certain compromis entre la précision de recalage et le temps de calcul, pour la superposition des parties communes des images cutanées. En outre, une approche pour affiner la correspondance initiale des points caractéristiques extraits est présentée. L'étude présentée porte principalement sur la construction cohérente d’une mosaïque dans son ensemble. Pour atteindre cet objectif, un schéma de mosaïque capable de générer des panoramas cohérents à partir de vidéo-séquences longues est présenté. Ce schéma estime dynamiquement la topologie de la trajectoire des images dans le plan de mosaïquage. Cela permet de placer les images sur le plan panoramique avec un nombre réduit d'images sur le chemin suivi pour atteindre une image donnée à partir d'une image de référence, ce qui réduit non seulement l'accumulation des erreurs, mais permet également d'éviter les interruptions dans le mosaïquage en excluant les paires d'images dont le recalage ne serait pas réussi. L'approche proposée offre une robustesse vis-à-vis des recalages échoués en trouvant des trajets alternatifs. En outre, un mode d'ajustement global pour améliorer davantage la cohérence de la mosaïque est présenté / Teledermatology offers several advantages in comparison to the traditional in-place consultations with a dermatologist. It is particularly useful for easing the access to the dermatological care for patients with mobility or travel constraints. A dedicated mosaicing scheme for creating extended panoramas of skin video sequences is proposed to surmount the limitations posed by the small field of view of stationary images acquired by currently used devices. The video sequences used for this purpose are acquired using a specially designed device for a colorimetrically correct rendering of the skin surface. After a study of various image registration approaches, an approach optimally suited to skin image registration with some compromise between registration accuracy and computation time is selected. In addition, an approach for refining the initially detected key-point correspondence is presented. Central focus of this study is on the overall coherent construction of the mosaic. To achieve this objective, a mosaicing scheme capable of generating coherent panoramas from long video sequences is presented. This scheme dynamically estimates the topology of the image trajectory in the panoramic plane to mosaic the images by reducing the number of images over the path used for reaching a given image from a reference image in order to place it on the panoramic plane. A small number of images reduces the accumulated errors, thus improving the visual coherency of the overall mosaic. Besides, the proposed approach offers robustness against failed registrations, which would interrupt the mosaicing process in the absence of the alternative paths. Moreover, a global adjustment scheme for further improving the coherency of the mosaic is presented

Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, με τη χρήση ενός δείγματος που αποτελούνταν από 4458 καυκάσια άτομα, για τα οποία ήταν γνωστά: - ο Δείκτης Μάζας Σώματος (ΔΜΣ), - το φύλο, - η ηλικία, και - τα γενετικά χαρακτηριστικά 23 γονιδίων τους (δηλ. τα αλληλόμορφα γονίδια), διερευνήθηκε: - η ύπαρξη κύριων (μεμονωμένων) επιδράσεων αυτών των παραγόντων (φύλο, ηλικία, αλληλόμορφα γονίδια) στον ΔΜΣ, και - ο αντίκτυπος των αλληλεπιδράσεων μεταξύ έως και τριών παραγόντων στον ΔΜΣ. Μετά από την απαραίτητη προ-επεξεργασία των δεδομένων (αναζήτηση διπλών καταχωρήσεων και διαγραφή τους, κωδικοποίηση, εξαγωγή περιγραφικών στατιστικών στοιχείων, κ.λπ.) εκτελέστηκαν παραμετρικοί και μη παραμετρικοί στατιστικοί έλεγχοι με τη χρήση των 26 συνολικά διαθέσιμων μεταβλητών. Οι στατιστικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι ακόλουθες (σε παρένθεση δίνονται κάποια συνοπτικά χαρακτηριστικά των μεταβλητών που ελέγχονταν κατά περίπτωση): - γραμμική συσχέτιση του Pearson (μεταξύ του ΔΜΣ και της Ηλικίας, καθώς και μεταξύ του ΔΜΣ και του Φύλου), - ανάλυση της διακύμανσης (ANOVA) (με χρήση του ΔΜΣ ως ποσοτική συνεχής μεταβλητή και των υπόλοιπων μεταβλητών σε κατηγορική μορφή), - μέθοδος x2 (chi-square): o με χρήση του ΔΜΣ σε κατηγορική μορφή 4 κατηγοριών (λιποβαρείς, κανονικού σωματικού βάρους, υπέρβαροι, παχύσαρκοι) και των υπόλοιπων μεταβλητών σε κατηγορική μορφή, και o με χρήση του ΔΜΣ σε κατηγορική μορφή 2 κατηγοριών [κανονικού βάρους (ενσωματώνει τις κατηγορίες λιποβαρών ατόμων και ατόμων κανονικού βάρους), μη κανονικού βάρους (ενσωματώνει τις κατηγορίες υπέρβαρων και παχύσαρκων ατόμων)] και των υπόλοιπων μεταβλητών σε κατηγορική μορφή, - μέθοδος μείωσης πολυπαραγοντικής διάστασης (MDR - Multifactor Dimensionality Reduction) με χρήση του ΔΜΣ σε κατηγορική μορφή 2 κατηγοριών [κανονικού βάρους (ενσωματώνει τις κατηγορίες λιποβαρών ατόμων και ατόμων κανονικού βάρους), μη κανονικού βάρους (ενσωματώνει τις κατηγορίες υπέρβαρων και παχύσαρκων ατόμων)] και των υπόλοιπων μεταβλητών σε κατηγορική μορφή. / In this thesis, using a sample that consisted of 4458 Caucasian men, for which we had the following available: - Body Mass Index (BMI) - Sex, - Age, and - The genetic characteristics of 23 genes (ie alleles) we examined: - The existence of major (individual) effects of these factors (gender, age, alleles) in BMI, and - The impact of interactions between up to three factors in BMI. After the necessary pre-processing of data (search for duplicate entries and deletion, coding, extraction of descriptive statistics, etc.) we performed parametric and non parametric statistical tests using the total of 26 available variables. The statistical methods used were as follows (in brackets are some brief features of the controlled variables as appropriate): - Linear correlation of Pearson (between BMI and age, and between BMI and sex) - Analysis of variance (ANOVA) (using BMI as a quantitative continuous variable and other variables in categorical form) - Chi-square test: o Using the BMI, in categorical form of four categories (underweight, normal weight, overweight, obese) and other variables in categorical form, and o Using the BMI, in categorical form of two categories [normal weight (incorporates underweight and normal weight), non-normal weight (incorporates overweight and obese)] and other variables in categorical form - Multifactor Dimensionality Reduction (MDR), using the BMI in categorical form of two categories [normal weight (incorporates underweight and normal weight), non-normal weight (incorporates overweight and obese)] and other variables in categorical form.

Nowadays,hospitals are equipped with high resolution medical imaging systems such as MRI, CT that help the radiologists to make more accurate diagnosis. However these systems cannot give any information of the explicit content that is on the image pixels. The vast amount of images that are produced in hospitals is processed mainly by the medical domain users. Even systems such as PACS cannot retrieve images with anatomical or disease-­‐related criteria. The integrating of semantic web technologies in health care can provide a solution. The benefits for the semantic web technologies are owed to the core element of the semantic web, which is the ontology. The ontology sets strict relationships between its entities. The main goal of this thesis is to design and develop an online approach for Semantic Annotation and Retrieval of Medical Images. The architecture of the proposed system is based on a service oriented approach that enables the expandability of the system by integrating new features such as image processing algorithms to perform Computer Aided Diagnosis (CAD) tasks and to make queries with low -­‐ level image characteristics. Also the adopting of such an approach for the architecture allows to add new reference ontologies to the system without redesigning the core architecture. The ontology framework of the system includes (a) three reference ontologies, namely the Foundational Model of Anatomy (FMA) for the anatomy annotation, the International Classification of Disease (ICD-­‐10) for the disease annotation and the RadLex for the radiological findings and (b) an application ontology that connects the medical document with the concepts of the medical ontologies (FMA, ICD-­‐10, Radlex) and it also contains information about patient, hospital and image modality. Part of application ontology information is extracted from the DICOM header. In the context of the current thesis, the system was used to annotate and retrieve several medical images. The proposed online approach for annotation and retrieval of medical images system can enable the interoperability between different Health Information Systems (HIS) and can constitute a tool for discovering the hidden knowledge in medical image data. / -