La biopsie du ganglion sentinelle (GS) est actuellement la technique de référence pour le diagnostic des métastases ganglionnaires du cancer du sein. Cependant, les traceurs utilisés pour la cartographie du GS (colorant bleu et radiocolloïde) ne sont pas idéaux et peuvent occasionner des réactions allergiques et engendrer des coûts importants. Une alternative à l'utilisation de ces traceurs repose sur le repérage du GS par imagerie de fluorescence proche infrarouge à l'aide de nanoparticules. Deux types de nanoparticules ont été étudiés : les Quantum Dots (QDs) à base d'indium et les nanoparticules de silice (NPSi) renfermant de la cyanine 7. Dans un modèle murin de carcinome mammaire, tous les GS envahis par les métastases ont pu être visualisés grâce à la fluorescence des QDs-indium. L'étude de biodistribution a mis en évidence une capture majeure des QDs au point d'injection et dans les ganglions associée à une faible concentration dans le foie et la rate. La toxicité des QDs a été évaluée in vitro et a démontré une toxicité fortement réduite des QDs-indium par rapport aux QDs-cadmium. Les NPSi présentent les avantages suivants : biocompatibilité, amélioration de la rétention dans le ganglion et des propriétés photophysiques par rapport au fluorophore libre. Le GS est rapidement visualisable par fluorescence suite à l'injection de NPSi. Le suivi des souris, pendant 3 mois post-injection, n'a révélé aucun signe de toxicité générale ou hépatique. Ces deux types de nanoparticules fluorescentes sont particulièrement bien adaptés à la cartographie du GS et pourraient avantageusement remplacer les traceurs employés actuellement / Sentinel lymph node (SLN) biopsy is a reliable technique for the diagnosis of metastases in breast cancer. However, the tracers used (blue dye and radiocolloid) are not optimal because they can cause allergic reactions and major costs in waste processing. Our strategy was to use near-infrared emitting nanoparticles for the mapping of SLN: indium-based Quantum Dots (QDs) and cyanine 7 embedded in silica nanoparticles (SiNP). In a murine model of mammary carcinoma, all SLN containing lymphatic metastases could be visualized with fluorescent indium-based QDs. The biodistribution study concluded that the major organs of retention were the injection point and lymph nodes whereas liver and spleen accumulated fewer QDs. The cytotoxicity tests demonstrated a weak in vitro toxicity of indium- compared to cadmium-based QDs. SiNP show several advantages over free fluorophore such as biocompatibility, better retention in the SLN and greatest photophysical properties. SLN could be mapped as soon as 5 minutes after SiNP injection. The in vivo toxicity in mice was followed during 3 months after injection and did not reveal any signs of general or hepatic toxicity. Both fluorescent nanoparticles are thus well adapted for the mapping of the SLN and could be a favourable substitute to the actually tracers

La cystoscopie est actuellement l'examen clinique de référence permettant l'exploration visuelle des parois internes de la vessie. Le cystoscope (instrument utilisé pour cet examen) permet d'acquérir une séquence vidéo des parois épithéliales de la vessie. Cependant, chaque image de la séquence vidéo ne visualise qu'une surface réduite de quelques centimètres carrés de la paroi. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour objectif de construire une carte 3D reproduisant d'une manière fidèle les formes et les textures des parois internes de la vessie. Une telle représentation de l'intérieur de la vessie permettrait d'améliorer l'interprétation des données acquises lors d'un examen cystoscopique. Pour atteindre cet objectif, un nouvel algorithme flexible est proposé pour le calibrage de systèmes cystoscopiques à vision active. Cet algorithme fournit les paramètres nécessaires à la reconstruction précise de points 3D sur la portion de surface imagée à chaque instant donné de la séquence vidéo cystoscopique. Ainsi, pour chaque acquisition de la séquence vidéo, un ensemble de quelques points 3D/2D et une image 2D est disponible. L'objectif du deuxième algorithme proposé dans cette thèse est de ramener l'ensemble des données obtenues pour une séquence dans un repère global pour générer un nuage de points 3D et une image panoramique 2D représentant respectivement la forme 3D et la texture de la totalité de la paroi imagée dans la séquence vidéo. Cette méthode de cartographie 3D permet l'estimation simultanée des transformations 3D rigides et 2D perspectives liant respectivement les positions du cystoscope et les images de paires d'acquisitions consécutives. Les résultats obtenus sur des fantômes réalistes de vessie montrent que ces algorithmes permettent de calculer des surfaces 3D reproduisant les formes à retrouver / Cystoscopy is currently the reference clinical examination for visual exploration of the inner walls of the bladder. A cystoscope (instrument used in this examination) allows for video acquisition of the bladder epithelium. Nonetheless, each frame of the video displays only a small area of few squared centimeters. This work aims to build 3D maps representing the 3D shape and the texture of the inner walls of the bladder. Such maps should improve and facilitate the interpretation of the cystoscopic data. To reach this purpose, a new flexible algorithm is proposed for the calibration of cystoscopic active vision systems. This algorithm provides the required parameters to achieve accurate reconstruction of 3D points on the surface part imaged at each given moment of the video cystoscopy. Thus, available data for each acquisition are a set of few 3D points (and their corresponding 2D projections) and a 2D image. The aim of the second algorithm described in this work is to place all the data obtained for a sequence in a global coordinate system to generate a 3D point cloud and a 2D panoramic image representing respectively the 3D shape and the texture of the bladder wall imaged in the video. This 3D cartography method allows for the simultaneous estimation of 3D rigid transformations and 2D perspective transformations. These transformations give respectively the link between cystoscope positions and between images of consecutive acquisitions. The results obtained on realistic bladder phantoms show that the proposed method generates 3D surfaces recovering the ground truth shapes

Le cancer du sein est aujourd’hui le cancer le plus fréquent chez la femme ainsi que la première cause de décès féminin par cancer. Actuellement, l’IRM mammaire n’est réalisée qu’en seconde intention lorsque les autres modalités d’imagerie ne suffisent pas à poser un diagnostic. Dans le cas des populations à risque, l’IRM mammaire est recommandée comme examen de dépistage annuel en raison de sa très haute sensibilité de détection. Par IRM, la détection d’un cancer du sein se fait à la suite de l’injection d’un produit de contraste qui permet de visualiser les lésions mammaires en hypersignal. La majeure partie du diagnostic repose sur l’analyse morphologique de ces lésions ; une acquisition hautement résolue spatialement est donc nécessaire. Malgré l’utilisation des techniques d’accélération courantes, le volume de données à acquérir reste important et la résolution temporelle de l’examen d’IRM mammaire est aujourd’hui aux alentours d’une minute. Cette faible résolution temporelle limite donc intrinsèquement la spécificité de l’examen d’IRM mammaire. Un examen avec une haute résolution temporelle permettrait l’utilisation de modèles pharmacocinétiques donnant accès à des paramètres physiologiques spécifiques des lésions. L’approche proposée dans ce travail de thèse est le développement d’une séquence IRM permettant à la fois la reconstruction classique d’images, telle que celle utilisée en routine clinique pour le diagnostic, ainsi qu’une reconstruction accélérée d’images avec une plus haute résolution temporelle permettant ainsi l’application de modèles pharmacocinétiques. Le développement de cette séquence a été réalisé en modifiant l’ordre d’acquisition du domaine de Fourier de la séquence utilisée en clinique, afin qu’il soit aléatoire et permette la reconstruction a posteriori de domaines sous-échantillonnés acquis plus rapidement. Des acquisitions sur des objets tests, sur des volontaires et sur des patientes ont montré que l’acquisition aléatoire ne modifiait pas les images obtenues par reconstruction classique permettant ainsi le diagnostic conventionnel. Une attention particulière a été portée pour permettre la suppression de graisse nécessaire à l’acquisition des images d’IRM mammaire. Les reconstructions des domaines sous-échantillonnés sont réalisées via des reconstructions Compressed Sensing permettant la suppression des artéfacts de sous-échantillonnage. Ces reconstructions Compressed Sensing ont été développées et testées sur des fantômes numériques reproduisant des IRMs mammaires. Le potentiel de cette nouvelle acquisition a enfin été testé sur une lésion artificielle mammaire, développée à cet effet, et reproduisant des prises de contraste mammaires / Breast cancer is nowadays the first cause of female cancer and the first cause of female death by cancer. Breast MRI is only performed in second intention when other imaging modalities cannot lead to a confident diagnosis. In high risk women population, breast MRI is recommended as an annual screening tool because of its higher sensitivity to detect breast cancer. Breast MRI needs contrast agent injection to visualize enhancing lesions and the diagnosis is mostly based on morphological analysis of these lesions. Therefore, an acquisition with high spatial resolution is needed. Despite the use of conventional MRI acceleration techniques, the volume of data to be acquired remains quite large and the temporal resolution of the exam is around one minute. This low temporal resolution may be the cause of the low specificity of breast MRI exam. Breast MRI with higher temporal resolution will allow the use of pharmacokinetic models to access physiological parameters and lesion specifications. The main aim of this work is to develop a MRI sequence allowing a flexible use of the acquired data at the reconstruction stage. On the one hand, the images can be reconstructed with a conventional reconstruction like the protocol used in clinical routine. On the other hand, the new MRI sequence will also allow the reconstruction of images with a higher temporal resolution allowing the use of pharmacokinetic models. The development of this sequence was done by modifying the acquisition order in the Fourier domain. A random acquisition of the Fourier domain will allow the reconstruction of sub-sampled domains acquired faster. We paid attention to fat suppression efficiency with this new Fourier domain acquisition order. Tests were performed on phantom, female volunteers and patients. These tests showed that the random acquisition did not impact the quality of images (MRI signal and lesion morphology) obtained by conventional reconstruction thus allowing the conventional diagnosis. The reconstructions of the sub-sampled Fourier domains were made using Compressed Sensing reconstructions to remove sub-sampling artifacts. These reconstructions were developed and tested on digital phantoms reproducing breast MRI. The potential of this new MRI acquisition was tested on an artificial enhancing breast lesion developed especially for this purpose

Les Quantum Dots (QDs) sont des particules cristallines de semi-conducteur ou du métal de forme sphérique et de dimension nanométrique. L'intérêt majeur des QDs réside dans leur grande adaptabilité à de nombreuses applications biologiques.Le but de mon travail était de développer une nouvelle classe de QDs de faible toxicité afin de les utiliser pour la bio-imagerie des cellules cancéreuses. Pour cela, il est nécessaire de préparer des sondes hydrosolubles, photostables, biocompatibles, de luminescence élevée et possédant une faible toxicité. La synthèse des cœurs de type ZnS and ZnSe dopés au manganèse ou au cuivre et stabilisés par l’acide 3-mercapropropionique ou par le 1-thioglycérol a été réalisée par la voie hydrothermale. Les techniques analytiques de caractérisation utilisées sont la spectroscopie UV-visible, la spectroscopie de fluorescence, la diffraction des rayons X (XRD), la spectroscopie photoélectronique de rayon X (XPS), la microscopie électronique à transmission (TEM), la diffusion dynamique de la lumière DLS, la spectroscopie infra-rouge (IR), et la résonance paraélectronique (RPE). La toxicité des QDs a été déterminée sur des cellules cancéreuses. Les différents test de cytotoxicité (MTT, XTT et ferrous oxidation-xylenol orange) ont été réalisés. Finalement, les QDs de type ZnS:Mn conjugués à l’acide folique ont été utilisés pour la bio-imagerie des cellules cancéreuses par le biais d’une excitation biphotonique / Semiconductor QDs are tiny light-emitting crystals, and are emerging as a new class of fluorescent labels for medicine and biology. The aim of this work was to develop a new class of non-toxic QDs probes with essential attributes such as water dispersibility, photostability, biocompatibility, high luminescence and possible excitation with low-energy visible light, using simple processing method. Such nanoprobes could be used for bio-imaging of cancer cells. In the performed studies, I focused on ZnS and ZnSe QDs as they are cadmium-free and might be excited biphotonically.The synthesis protocols of ZnS and ZnSe QDs doped with two ions such as Mn or Cu and stabilized by 3-mercaptopropionic acid or 1-thioglycerol were established, followed by NCs characterization (diameter, surface charge, photophysical properties, …) using analytical techniques such as spectrophotometry UV-vis, fluorimetry, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), infra-red analysis (FT-IR), thin layer chromatography (TLC) and electron paramagnetic resonance (EPR). The cytotoxicity of synthesized bare and conjugated NPs was evaluated on cancer cell lines using MTT, XTT and ferrous oxidation-xylenol orange assay.Finally, chosen well fluorescent and weakly toxic types of as-prepared and characterized QDs were used for bio-imaging of cancer cells. In these experiments, FA-functionalized NCs were excited biphotonically. The performed experiments showed the potential of QDs as cancer cells fluorescent markers and that they accumulate around the cell nuclei

Η διατριβή εισάγει μια νέα ανοιχτή αρχιτεκτονική για επικοινωνία ιατρικών απεικονιστικών εξετάσεων, η οποία παρουσιάζεται μέσω ενός νέου PACS-ιστού που εστιάζει στην τηλεακτινολογία. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική είναι βασισμένη στις αρχές της επέκτασης ιστού του DICOM που είναι η υπηρεσία/πρωτόκολλο WADO (Πρόσβαση μέσω Ιστού σε Επίμονα Στοιχεία Εξέτασης DICOM). Η αρχιτεκτονική ενσωματώνει υπηρεσίες DICOM και κοινές υπηρεσίες Διαδικτύου (βασισμένες στον ιστό, στο FTP, και στο ηλεκτρονικό ταχυδρομείο). Η διατριβή επίσης επεκτείνει την δυνατότητα πρόσβασης της WADO σε ολόκληρη την ιεραρχία DICOM (Ασθενής, Διαγνωστική Εξέταση, Σειρά Εξέτασης και Στοιχείο Εξέτασης). Η επέκταση της WADO καλείται WADA (Πρόσβαση μέσω Ιστού σε Συστήματα Αρχειοθέτησης DICOM). Σε αντιδιαστολή με τη WADO, η WADA περιλαμβάνει ένα πρόσθετο εσωτερικό μηχανισμό αναζήτησης και υποστηρίζει την υποβολή ιατρικής διάγνωσης. Το σύνολο των προτεινόμενων υπηρεσιών υποστηρίζει την εκτεταμένη πρόσβαση και είναι ενσωματωμένο σε μια δομή τριών επιπέδων (πελάτη, εξυπηρετητή και δεδομένων) που εξασφαλίζει ευελιξία πρόσβασης, κινητικότητα χρηστών και ενισχυμένη ασφάλεια δεδομένων. Η πλευρά των εξυπηρετητών της αρχιτεκτονικής παρέχει διεπαφές των υπηρεσιών μέσω ιστού και διασφαλισμένο χώρο προσωρινής αποθήκευσης που καλείται Περιοχές Χρηστών. Η παρούσα διατριβή μελετά επίσης υποδομή υπολογιστικού πλέγματος για την αρχιτεκτονική του PACS-ιστού και ένα συνεργατικό σχήμα μεταξύ PACS και RIS για ολοκληρωμένη διαχείριση απεικονιστικών εξετάσεων μέσω ιστού. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε πιλοτικά κυρίως με τεχνολογίες βασισμένες σε Java και προϊόντα συμβατά με πρότυπα. Η υλοποιημένη αρχιτεκτονική αξιολογήθηκε από μηχανικούς σε συνεργασία με ιατρούς. / The dissertation introduces a new open architecture for medical imaging communication illustrating a novel web Picture Archiving and Communication System (PACS), which focuses on teleradiology. The proposed architecture is based on the concept of the web extension of Digital Imaging and Communication in Medicine (DICOM) that is the Web Access to DICOM Persistent Objects (WADO) protocol/service. The architecture integrates DICOM services and common Internet services (based on web, FTP, and e-mail). The dissertation also extends WADO access capability to the whole DICOM hierarchy (Patient, Study, Series and Object). The extended WADO is called Web Access to DICOM Archives (WADA). WADA, as opposed to WADO, includes an extra internal query mechanism and support of medical reports submission. The whole of the proposed services support the extended access and are integrated into a three-tier structure (client, server and data tiers) which ensures flexibility in access, user mobility and enhanced data security. The server site of the architecture provides service interfaces through web and invulnerable space for temporary storage, called as User Domains. This dissertation also studies a computing grid infrastructure for the web PACS architecture and a cooperative scheme between PACS and Radiology Information System (RIS) for integrated administration of imaging examinations through web. The proposed architecture is pilot implemented using mainly Java-based technologies and standard-compliant products. Τhe implemented architecture is evaluated by engineers in collaboration with doctors.