L’imagerie photoacoustique est une nouvelle modalité couplant imagerie optique et échographie. Non invasive, elle permet d’imager des absorbeurs optiques à quelques centimètres de profondeur et avec la résolution de l’échographie. La réception des signaux photoacoustiques se faisant à l’aide d’un échographe clinique, cette modalité hybride vient compléter idéalement l’imagerie ultrasonore en apportant des informations fonctionnelles aux informations structurelles de l’échographie. Ces atouts en font une technique d’imagerie très prometteuse pour la clinique, notamment comme outil de diagnostic précoce. Ce travail de thèse a pour objectif principal la mise en place des outils nécessaires au développement de cette thématique de recherche d’un point de vue expérimental, à des fins cliniques. En particulier, l’apport de l’imagerie photoacoustique pour le diagnostic de plaques d’athérome vulnérables est investigué sur fantômes, grâce à un protocole original. Pour cela un système d’imagerie photoacoustique a été développé et caractérisé à l’aide de fantômes bimodalités élaborés spécifiquement pour les différentes études présentées. Gardant à l’esprit le transfert de cette technique en clinique, un échographe clinique de recherche est utilisé et différentes spécificités du banc nécessaires à l’imagerie in vivo et au diagnostic médical ont été investiguées. Cela implique une amélioration des performances de détection du signal photoacoustique, notamment en termes de sensibilité et de contraste. Pour cela, une nouvelle technologie de sondes ultrasonores est évaluée en la comparant aux sondes actuellement utilisées. De plus, une excitation multispectrale permet l’identification de différents éléments présents dans les tissus. L’aspect temps-réel de l’échographie fait de cette modalité une des plus utilisées pour le diagnostic clinique. Par conséquent, une imagerie photoacoustique voire bimodale en temps réel présente un réel atout pour son transfert clinique. Cette possibilité est investiguée sur le système mis en place au cours de la thèse grâce à un échographe de recherche et une étude sur fantômes. Enfin, une autre contribution de ce travail concerne l’apport de l’imagerie photoacoustique à la caractérisation de la vulnérabilité de la plaque d’athérome. Cette indication de vulnérabilité est obtenue en déterminant la composition de la plaque, en particulier en termes de lipides. L’imagerie photoacoustique, couplée à l’échographie, peut permettre cette identification. Pour étudier cette possibilité, nous nous sommes intéressés à l’artère carotide pour son accessibilité et la place qu’elle occupe dans le diagnostic de la plaque d’athérome en échographie et échographie Doppler. Un protocole original a été élaboré afin d’apporter l’excitation optique au plus près de la carotide. La faisabilité de cette approche est investiguée sur un fantôme conçu spécifiquement pour cette étude et les résultats préliminaires sont présentés. / Photoacoustic (PA) imaging is a new imaging modality coupling ultrasound and optical imaging. This non-invasive technique achieves a penetration depth up to several centimeters with optical contrast and ultrasound resolution. Moreover, since PA signals are detected with a US scanner, PA imaging ideally complete US imaging, adding functional information to the structural ones brought by echography. Therefore PA imaging looks very promising, specifically as a clinical early diagnosis tool. The main objective of this thesis is to set up the required tools to develop the experimental investigation for this research topic and, in particular, to apply it to the diagnosis of vulnerable atheroma plaques. A PA imaging system has been set up and characterized using specifically designed bimodal phantoms. Additional studies have been made to evaluate the suitability of this imaging platform for clinical imaging. For example, in vivo imaging requires better signal detection in terms of contrast and sensitivity, achieved thanks to a new probe technology, and the identification of tissue composition using a multispectral optical excitation. Finally, PA and even PAUS real time imaging is a real asset for medical diagnosis that has been investigated. Another contribution of this work is the use of PA imaging to characterized atheroma plaques vulnerability with the detection of lipids inside these plaques. PA imaging, coupled to echography, can address this need. To study this possibility, the carotid artery has been considered and a new protocol has been elaborated to bring the optical excitation very close to this artery. A feasibility study has been realized on a specific phantom and the preliminary results are presented.

Ce travail présente une nouvelle méthodologie pour la reconnaissance automatique des gestes de la bouche visant à l'élaboration d'IHM pour la commande d'endoscope. Cette méthodologie comprend des étapes communes à la plupart des systèmes de vision artificielle, comme le traitement d'image et la segmentation, ainsi qu'une méthode pour l'amélioration progressive de l'étiquetage obtenu grâce à la segmentation. Contrairement aux autres approches, la méthodologie est conçue pour fonctionner avec poses statiques, qui ne comprennent pas les mouvements de la tête. Beaucoup d'interêt est porté aux tâches de segmentation d'images, car cela s'est avéré être l'étape la plus importante dans la reconnaissance des gestes. En bref, les principales contributions de cette recherche sont les suivantes: La conception et la mise en oeuvre d'un algorithme de rafinement d'étiquettes qui dépend d'une première segmentation/pixel étiquetage et de deux paramétres corrélés. Le rafineur améliore la précision de la segmentation indiquée dans l'étiquetage de sortie pour les images de la bouche, il apporte également une amélioration acceptable lors de l'utilisation d'images naturelles. La définition de deux méthodes de segmentation pour les structures de la bouche dans les images; l'une fondée sur les propriétés de couleur des pixels, et l'autre sur des éléments de la texture locale, celles-ci se complétent pour obtenir une segmentation rapide et précise de la structure initiale. La palette de couleurs s'avére particuliérement importante dans la structure de séparation, tandis que la texture est excellente pour la séparation des couleurs de la bouche par rapport au fond. La dérivation d'une procédure basée sur la texture pour l'automatisation de la sélection des paramètres pour la technique de rafinement de segmentation discutée dans la première contribution. Une version améliorée de l'algorithme d'approximation bouche contour présentée dans l'ouvrage de Eveno et al. [1, 2], ce qui réduit le nombre d'itérations nécessaires pour la convergence et l'erreur d'approximation finale. La découverte de l'utilité de la composante de couleur CIE à statistiquement normalisée, dans la différenciation lévres et la langue de la peau, permettant l'utilisation des valeurs seuils constantes pour effectuer la comparaison. / This document presents a series of elements for approaching the task of segmenting mouth structures in facial images, particularly focused in frames from video sequences. Each stage is treated separately in different Chapters, starting from image pre-processing and going up to segmentation labeling post-processing, discussing the technique selection and development in every case. The methodological approach suggests the use of a color based pixel classification strategy as the basis of the mouth structure segmentation scheme, complemented by a smart pre-processing and a later label refinement. The main contribution of this work, along with the segmentation methodology itself, is based in the development of a color-independent label refinement technique. The technique, which is similar to a linear low pass filter in the segmentation labeling space followed by a nonlinear selection operation, improves the image labeling iteratively by filling small gaps and eliminating spurious regions resulting from a prior pixel classification stage. Results presented in this document suggest that the refiner is complementary to image pre-processing, hence achieving a cumulative effect in segmentation quality. At the end, the segmentation methodology comprised by input color transformation, preprocessing, pixel classification and label refinement, is put to test in the case of mouth gesture detection in images aimed to command three degrees of freedom of an endoscope holder.

Nous avons développé un modèle numérique du traitement des anévrismes de l'aorte abdominale (AAA) en utilisant l'analyse par éléments finis (FEA). L'objectif est de simuler les différentes étapes de la procédure endovasculaire dans la phase préopératoire. Pour cela, dans un premier temps, on a fait des études expérimentales Macro et Nano de rupture, indentation, traction, frottement des outils métalliques et des biomatériaux. Ensuite, on a développé une nouvelle approche de la conception des structures anatomiques très angulées et hétérogènes, et enfin, on a crée une maquette numérique de l’interaction outils métalliques et biomatériaux. Dans ce modèle, nous avons pris en compte la géométrie réelle reconstituée à partir des scans, une caractérisation locale des propriétés mécaniques guide / cathéter, une cartographie des propriétés des matériaux composites en fonction de la qualité pariétale, et une projection de l'environnement de l’artère dans l’outil de simulation. Nos résultats ont été validés grâce à un recalage entre les données cliniques et notre simulation pour un groupe donné de patients, dont les artères sont très tortueuses et calcifiées. Cet outil d’aide à l’acte chirurgical permet de contrôler avec précision la navigation endovasculaire en péropératoire, prédire la faisabilité de la chirurgie avec une fiabilité ainsi que d’optimiser le nombre d’outils métalliques pour chaque patient, en tenant compte du risque de rupture des zones avec fortes tortuosités et hétérogénéités. / We have developed a numerical model of the treatment of abdominal aortic aneurysms (AAA) using finite element analysis (FEA) to simulate the endovascular procedure in the preoperative phase. The goal is to simulate different stages of the endovascular procedure. In the model, we took into account the geometry of the biological region reconstructed from scans, a local characterization of the guidewire/catheter mechanical properties, a mapping of material properties depending on the degree of calcification, and a projection of the aorta environment . Our results were validated based on a tuning between clinical data and our simulation for a given group of patients with very tortuous and calcified arteries. It allows to control with accuracy the delivery system rise during surgery, predict the feasibility of the surgery with reliability as well as choose the best guide for each patient, taking into account the risk of rupture of calcified areas in the case of high angulations.

La photothérapie dynamique (PTD) est un traitement alternatif du cancer qui nécessite l’utilisation de chromophores (photosensibilisateurs) capables d’induire la mort cellulaire suite à une irradiation lumineuse. Les nanoparticles d’or (AuNP), grâce à leur phénomène de résonance plasmon localisée, peuvent exalter les propriétés photophysiques des chromophores localisés à leur surface. L’utilisation d’une excitation biphotonique, dans le proche infrarouge, peut être utilisée pour améliorer l’action thérapeutique (PTD) ou diagnostique (imagerie de fluorescence) des chromophores en augmentant la profondeur de pénétration dans les tissus et la résolution tridimensionnelle de la microscopie biphotonique.Lors de ce travail, l’élaboration de nouvelles nanoparticules hybrides est proposée, présentant des applications potentielles en bioimagerie (sondes brillantes) et comme photosensibilisateurs pour la PTD. Ces nanoparticules sont composées d’un cœur d’or sur lequel sont greffés des conjugués polymère-chromophores biphotoniques. La stratégie de synthèse a consisté à : i) synthétiser des conjugués polymère-chromophores biphotoniques solubles dans l’eau ; ii) les greffer de manière orientée à la surface des AuNP. La synthèse des conjugués polymère-chromophores hydrosolubles on été synthétisés via le couplage efficace de chromophores hydrophobes en position latérale des copolymères P(NAM-co-NAS) bien-définis, obtenus par la techniques de polymérisation radicalaire contrôlée RAFT. Cette stratégie permet le contrôle à la fois de la longueur des chaînes polymère formées (2 000 g.mol-1 < Mn plus < 37 000 g.mol-1) et du nombre de chromophores couplés par chaîne (de 1 à 21). Le greffage orienté de ces conjugués à la surface des AuNP a été mis en évidence (TEM, ATG) et les densités de greffage se sont avérées élevées (~0.5chaîne/nm²). Un des rôles de la chaîne polymère étant de contrôler la distance entre les chromophores et la surface des AuNP. Il a été mis en évidence que l’augmentation de la longueur de chaine des conjugués induisait, outre une augmentation de la couronne greffée (par MET) sur les AuNP, une augmentation de l’émission de fluorescence de ces conjugués polymère-chromophores. Enfin, les propriétés biologiques des conjugués avant et après greffage sur les AuNP ont été évaluées in cellulo, mettant en valeur leur potentiel pour des applications thérapeutiques et diagnostiques. / Photodynamic therapy (PDT) is an alternative treatment of cancer requiring the use of chromophore molecules (photosensitizers), which can induce cell death after light excitation. Gold nanoparticles (AuNP), exhibiting localized Surface Plasmon Resonance, can enhance the photophysical response of chromophores located in their vicinity, and thus improve their therapeutic action. Moreover, the use of highly localized two-photon chromophores (photosensitizers and fluorophores), capable to undergo a localized excitation by light in the Near InfraRed region, should increase the penetration depth into tissues, thus improve the treatment efficiency (by PDT) and the imaging (by fluorescence microscopy) of cancer tissues.In this work, we describe the elaboration of water-soluble hybrid nano-objects for PDT and fluorescence bioimaging applications, composed of two-photon chromophore-polymer conjugates grafted onto gold nanoparticles. In order to obtain these nano-objects we follow a multistep strategy: i) the synthesis of a well-defined water-soluble chromophore-polymer conjugates; ii) the end-group oriented grafting of chromophore-polymer conjugates onto 20 nm AuNP. The coupling of hydrophobic two-photon chromophores on linear water-soluble copolymer chains (poly(N-acryloylmorpholine-co-N-acryloxysuccinimide)), obtained by controlled/living RAFT polymerization, resulted in well-defined water-soluble chromophore-polymer conjugates, with different polymer lengths (2 000 g.mol-1 < Mn < 37 000 g.mol-1) and architectures (random or block), and a controlled number of chromophores per chain (varying between 1 and 21). Their grafting onto 20 nm AuNP gave water-soluble hybrid nano-objects with high grafting densities (~0.5 chains/nm²). The role of the polymer chain being to tune the distance between chromophores and AuNP surface, we have evidenced the increase in the polymer corona thickness of grafted AuNP (estimated by TEM) with the increasing polymer Mn, corroborating with the corresponding distance-dependent fluorescence properties of those. Finally, the in cellulo biological properties of two-photon chromophore-polymer conjugates, before and after grafting onto AuNP, have been investigated, highlighting their potential for two-photon bioimaging and PDT applications.