In type II diabetes, systemic metabolism is perturbed and on a cellular level the balance of fuel use is upset. More specifically, increased fatty acid use is seen alongside decreased glucose metabolism. This altered fuel use is mediated by changes in the activity and expression of multiple enzymes. One such enzyme within the glucose breakdown pathway is pyruvate dehydrogenase, whose activity is known to be reduced in the diabetic state. The field of real-time metabolic investigation has rapidly expanded over the past few years due to the invention of technology that has enabled the production of ¹³C labelled hyperpolarised compounds, which can generate high signal levels in magnetic resonance spectroscopy. This has provided the opportunity to measure real-time metabolism of injected hyperpolarised tracers both ex vivo and in vivo. This thesis aimed to develop the use of hyperpolarised compounds in vivo, to investigate the cardiac and hepatic metabolism of a diabetic rat model. We initially addressed the systemic nature of the disease by establishing a two-slice acquisition for obtaining cardiac and hepatic data during a single injection of hyperpolarised pyruvate. This was tested in the fed and fasted states before being used in the studies described in the subsequent chapters of this thesis. The value of hyperpolarised compounds in following metabolic modulation by drug treatment was explored in the next chapter. The effect on metabolism of two drugs targeted at pyruvate dehydrogenase, which differed in their isoform specificity, was investigated first in the perfused heart and subsequently in vivo, both in control and diabetic animals. Hyperpolarised magnetic resonance spectroscopy was combined with other established techniques to help both our understanding of the systemic changes that had occurred following treatment, and provide links between cardiac metabolism and function. The final chapter of this thesis explored the use of hyperpolarised ¹³C pyruvate to understand the effect of hypoxia on pyruvate dehydrogenase, firstly in healthy animals and subsequently in the diabetic, metabolically altered state. Understanding the combination of diabetes and hypoxia was interesting given the existence of several opposing metabolic effects seen in the two states. Overall this thesis has demonstrated developments in the use of hyperpolarised pyruvate that, when appropriately combined with other techniques, can yield valuable metabolic information, in terms of following disease progression, drug development, and understanding basic metabolism.

L’objectif de cette thèse de doctorat était de développer l’échographie ultrarapide 3D du cœur, plus particulièrement dans le but de caractériser le muscle cardiaque. A cet effet, un échographe ultrarapide assemblé dans notre laboratoire a été utilisé. Dans la première partie de cette thèse, un mode d’imagerie temps-réel a été développé pour faciliter l’imagerie in-vivo en utilisant ce scanner, ainsi que des outils de visualisation 3D et 4D. Par la suite, l’imagerie 3D du tenseur de rétrodiffusion a été développée pour analyser l’orientation des fibres musculaires du cœur de manière non-invasive au cours du cycle cardiaque. Des résultats obtenus sur un volontaire avant et après la contraction cardiaque ont été obtenus. De plus, les effets indésirables du mouvement axial ont été étudiés, et une méthode d’estimation de la vitesse axiale et de correction des aberrations induites a été proposée et appliquée sur l’homme. Cette technique pourrait devenir un outil intéressant de diagnostic et quantification de la désorganisation des fibres musculaires dans le cadre de cardiomyopathies hypertrophiques. De plus, l’échographie ultrarapide 3D a été utilisée pour visualiser la propagation dans les parois du cœur d’ondes de cisaillement générées naturellement au cours du cycle cardiaque, et un algorithme pour déterminer leurs vitesses a été développé. Cette technique a été validée grâce à des simulations numériques puis appliquée sur deux volontaires sains, pendant les phases de contraction et relaxation du myocarde. Etant donné que la vitesse des ondes de cisaillement est directement reliée à la rigidité du cœur, cette méthode pourrait permettre d’estimer la capacité du cœur à de contracter et à se relâcher, qui sont des paramètres important pour son fonctionnement. Enfin, l’activation de la contraction cardiaque de cœurs de rats isolés a été imagée à haute cadence et en 3D dans le but d’analyser la synchronisation de la contraction. Les délais d’activation mécanique ont pu correctement être quantifiés lors du rythme naturel du cœur, de stimulations électriques extérieures ainsi qu’en hypothermie. Ensuite, la faisabilité de la technique en 2D sur des cœurs humains de manière non-invasive a été étudiée et appliquée sur des fœtus et des adultes. Cette technique d’imagerie pourrait aider la caractérisation d’arythmies et améliorer leur traitement. En conclusion, nous avons introduit dans ces travaux de thèse trois nouvelles modalités d’imagerie ultrarapide 3D permettant de quantifier des propriétés structurelles et fonctionnelles du myocarde qui jusqu’ici ne pouvaient pas être imagée en échocardiographie. L’imagerie 3D ultrarapide est une modalité très prometteuse, non ionisante, transportable et qui pourrait améliorer fortement dans le futur le diagnostic et la prise en charge des patients. / The objectives of this PhD thesis were to develop 3D ultrafast ultrasound imaging of the human heart toward the characterization of cardiac tissues. In order to do so, a customized, programmable, ultrafast scanner built in our group was used. In the first part of this thesis, a real-time imaging sequence was developed to facilitate in-vivo imaging using this scanner, as well as dedicated 3D and 4D visualization tools. Then, we developed 3D Backscatter Tensor Imaging (BTI), a technique to visualize the muscular fibres orientation within the heart wall non-invasively during the cardiac cycle. Applications on a healthy volunteer before and after cardiac contraction was shown. Moreover, the undesired effects of axial motion on BTI were studied, and a methodology to estimate motion velocity and reduce the undesired affects was introduced and applied on a healthy volunteer. This technique may become an interesting tool for the diagnosis and quantification of fibres disarrays in hypertrophic cardiomyopathies. Moreover, 3D ultrafast ultrasound was used to image the propagation of naturally generated shear waves in the heart walls, and an algorithm to determine their speed was developed. The technique was validated in silico and the in vivo feasibility was shown on two healthy volunteers, during cardiac contraction and relaxation. As the velocity of shear waves is directly related to the rigidity of the heart, this technique could be a way to assess the ability of the ventricle to contract and relax, which is an important parameter for cardiac function evaluation. Finally, the transient myocardial contraction was imaged in 3D on isolated rat hearts at high framerate in order to analyse the contraction sequence. Mechanical activation delays were successfully quantified during natural rhythm, pacing and hypothermia. Then, the feasibility of the technique in 2D on human hearts non-invasively was investigated. Applications on foetuses and adults hearts were shown. This imaging technique may help the characterization of cardiac arrhythmias and thus improve their treatment. In conclusion, we have introduced in this work three novel 3D ultrafast imaging modalities for the quantification of structural and functional myocardial properties. 3D ultrafast imaging may become an important non-ionizing, transportable diagnostic tool that may improve the patient care at the bed side.

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L'analyse quantitative de la fonction contractile myocardique constitue un enjeu majeur pour le dépistage, le traitement et le suivi des maladies cardio-vasculaires, première cause de mortalité dans les pays développés. Dans ce contexte, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) s'impose comme une modalité privilégiée pour l'exploration dynamique du coeur, renseignant, d'une part, sur l'évolution des parois (ciné IRM), et permettant, d'autre part, d'accéder à des informations cinématiques au sein du myocarde (IRM de marquage). L'exploitation quantitative de ces données est néanmoins actuellement limitée par la quasi-absence de méthodologies fiables, robustes et reproductibles d'estimation de mouvement non rigide à partir de séquences d'images acquises dans cette modalité.<br /><br />Cette thèse se propose de démontrer que les techniques de recalage non rigide statistique constituent un cadre approprié pour l'estimation des déformations myocardiques en IRM, leur quantification à des fins diagnostiques, et leur modélisation en vue d'établir une référence numérique de normalité. Ses contributions concernent :<br /><br /> 1. l'élaboration d'une méthode robuste non supervisée d'estimation des déplacements myocardiques à partir de séquences d'IRM de marquage. Elle permet l'obtention de mesures de mouvement fiables en tout point du myocarde, à tout instant du cycle cardiaque et sous incidence de coupe arbitraire.<br /><br /> 2. le développement d'un outil de quantification dynamique des déformations à l'échelle du pixel et du segment myocardique, intégrant un étape de segmentation automatique du coeur par recalage d'images ciné IRM acquises conjointement aux données de marquage. Pour le coeur sain, la comparaison des mesures obtenues à des valeurs de référence issues d'une synthèse approfondie de la littérature médicale démontre une excellente corrélation. Pour des coeurs pathologiques, les expériences menées ont montré la pertinence d'une analyse quantitative multiparamétrique pour localiser et caractériser les zones atteintes.<br /><br /> 3. la construction d'un modèle statistique (atlas) de contraction d'un coeur sain. Cet atlas fournit des modèles quantitatifs de référence locaux et segmentaires pour les paramètres de déformation. Son intégration, en tant que modèle de mouvement, au processus de recalage des données d'IRM de marquage conduit en outre à une description très compacte des déplacements myocardiques sans perte de précision notable.

Les artéfacts métalliques entraînent un épaississement artéfactuel de la paroi des tuteurs en tomodensitométrie (TDM) avec réduction apparente de leur lumière. Cette étude transversale prospective, devis mesures répétées et observateurs avec méthode en aveugle, chez 24 patients consécutifs/71 tuteurs coronariens a pour objectif de comparer l’épaisseur de paroi des tuteurs en TDM après reconstruction par un algorithme avec renforcement des bords et un algorithme standard. Une angiographie coronarienne par TDM 256 coupes a été réalisée, avec reconstruction par algorithmes avec renforcement des bords et standard. L’épaisseur de paroi des tuteurs était mesurée par méthodes orthogonale (diamètres) et circonférentielle (circonférences). La qualité d’image des tuteurs était évaluée par échelle ordinale, et les données analysées par modèles linéaire mixte et régression logistique des cotes proportionnelles. L’épaisseur de paroi des tuteurs était inférieure avec l’algorithme avec renforcement des bords comparé à l’algorithme standard, avec les méthodes orthogonale (0,97±0,02 vs 1,09±0,03 mm, respectivement; p<0,001) et circonférentielle (1,13±0,02 vs 1,21±0,02 mm, respectivement; p<0,001). Le premier causait moins de surestimation par rapport à l’épaisseur nominale comparé au second, avec méthodes orthogonale (0,89±0,19 vs 1,00±0,26 mm, respectivement; p<0,001) et circonférentielle (1,06±0,26 vs 1,13±0,31 mm, respectivement; p=0,005) et diminuait de 6 % la surestimation. Les scores de qualité étaient meilleurs avec l’algorithme avec renforcement des bords (OR 3,71; IC 95% 2,33–5,92; p<0,001). En conclusion, la reconstruction des images avec l’algorithme avec renforcement des bords génère des parois de tuteurs plus minces, moins de surestimation, et de meilleurs scores de qualité d’image que l’algorithme standard. / Metallic artifacts can result in an artificial thickening of the coronary stent wall which can significantly impair computed tomography (CT) imaging in patients with coronary stents. The purpose of this study is to assess the in vivo visualization of coronary stent wall and lumen with an edge-enhancing CT reconstruction kernel, as compared to a standard kernel. This is a prospective cross-sectional study of 24 consecutive patients with 71 coronary stents, using a repeated measure design and blinded observers, approved by the Local Institutional Review Board. 256-slice CT angiography was used, as well as standard and edge-enhancing reconstruction kernels. Stent wall thickness was measured with orthogonal and circumference methods, averaging wall thickness from stent diameter and circumference measurements, respectively. Stent image quality was assessed on an ordinal scale. Statistical analysis used linear and proportional odds models. Stent wall thickness was inferior using the edge-enhancing kernel compared to the standard kernel, either with the orthogonal (0.97±0.02 versus 1.09±0.03 mm, respectively; p<0.001) or circumference method (1.13±0.02 versus 1.21±0.02 mm, respectively; p<0.001). The edge-enhancing kernel generated less overestimation from nominal thickness compared to the standard kernel, both with orthogonal (0.89±0.19 versus 1.00±0.26 mm, respectively; p<0.001) and circumference (1.06±0.26 versus 1.13±0.31 mm, respectively; p=0.005) methods. The average decrease in stent wall thickness overestimation with an edge-enhancing kernel was 6%. Image quality scores were higher with the edge-enhancing kernel (odds ratio 3.71, 95% CI 2.33–5.92; p<0.001). In conclusion, the edge-enhancing CT reconstruction kernel generated thinner stent walls, less overestimation from nominal thickness, and better image quality scores than the standard kernel.

INTRODUÇÃO: Poucas são as estratégias testadas para reduzir o volume de contraste durante angioplastia coronária. Levantamos a hipótese de que o ultrassom intravascular teria o potencial de substituir muitas informações fornecidas pela angiografia, reduzindo, dessa forma, o volume total de contraste utilizado durante a angioplastia coronária. MÉTODOS: No total, 83 pacientes foram randomizados para realização de angioplastia guiada pela angiografia isolada ou angioplastia guiada pelo ultrassom intravascular. Ambos os grupos foram tratados com estratégias rigorosas para redução de contraste, tendo como objetivo primário o volume final de contraste utilizado na angioplastia coronária. Os pacientes foram acompanhados por um período médio de 4 meses. RESULTADOS: A mediana do volume total de contraste foi de 64,5 ml (intervalo interquartil [ITQ], 42,8-97 ml; mínimo de 19 ml e máximo de 170 ml) no grupo angioplastia guiada pela angiografia isolada vs. 20 ml (ITQ, 12,5-30 ml; mínimo de 3 ml e máximo de 54 ml) no grupo angioplastia guiada pelo ultrassom intravascular (P < 0,001). De forma semelhante, a mediana da razão entre o volume de contraste e o clearance de creatinina foi significantemente menor entre os pacientes submetidos a angioplastia guiada pelo ultrassom intravascular, quando comparados aos pacientes do grupo angioplastia guiada pela angiografia isolada (1 [ITQ, 0,6-1,9] vs. 0,4 [ITQ, 0,2- 0,5], respectivamente; P < 0,001). Os desfechos intra-hospitalares e aos 4 meses de acompanhamento não foram diferentes entre os pacientes randomizados para o grupo angioplastia guiada pela angiografia isolada e aqueles do grupo angioplastia guiada pelo ultrassom intravascular. CONCLUSÕES: A utilização racional do ultrassom intravascular como método de imagem para guiar a angioplastia foi segura e reduziu de forma significativa o volume de contraste, comparativamente à angioplastia guiada pela angiografia isolada. O uso do ultrassom intravascular para esse propósito deve ser considerado para pacientes de elevado risco para o desenvolvimento de nefropatia induzida pelo contraste ou sobrecarga de volume e que serão submetidos a angioplastia coronária / BACKGROUND: To date, few approaches have been described to reduce the final dose of contrast agent in percutaneous coronary intervention. We hypothesized that intravascular ultrasound might serve as an alternative imaging tool to angiography in many steps during percutaneous coronary intervention, thereby reducing the use of iodine contrast. METHODS: A total of 83 patients were randomized to angiography alone-guided percutaneous coronary intervention or intravascular ultrasound-guided percutaneous coronary intervention. Both groups were treated according to a pre-defined meticulous procedural strategy, and the primary endpoint was the total volume contrast agent used during percutaneous coronary intervention. Patients were followed clinically for an average of 4 months. RESULTS: The median total volume of contrast was 64.5 mL (interquartile range [IQR], 42.8 to 97 mL; minimum, 19 mL; maximum, 170 mL) in the angiography alone-guided group vs. 20 mL (IQR, 12.5 to 30 mL; minimum, 3 mL; maximum, 54 mL) in the intravascular ultrasound-guided group (P < 0.001). Similarly, the median volume of contrast/creatinine clearance ratio was significantly lower among patients treated with intravascular ultrasound-guided percutaneous coronary intervention when compared with patients treated with angiography alone-guided percutaneous coronary intervention (1 [IQR, 0.6 to 1.9] vs. 0.4 [IQR, 0.2 to 0.6], respectively; P < 0.001). In-hospital and 4-month outcomes were not different between patients randomized to angiography alone-guided and intravascular ultrasound-guided percutaneous coronary intervention. CONCLUSIONS: Thoughtful and extensive use of intravascular ultrasound as the primary imaging tool to guide percutaneous coronary intervention was safe and markedly reduced the volume of iodine contrast compared with angiographyalone guidance. The use of intravascular ultrasound should be considered for patients at high risk of contrast-induced acute kidney injury or volume overload undergoing coronary angioplasty

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) présente deux caractéristiques principales. La première, sa capacité à manipuler le contraste, constitue son principal avantage par rapport aux autres modalités d'imagerie. Cela permet d'obtenir des informations complémentaires pour une meilleure détectabilité et une meilleure précision dans le diagnostic. Cela est particulièrement appréciable pour les pathologies du myocarde. La seconde caractéristique de l'IRM est également l'un de ces principaux inconvénients : le processus d'acquisition est relativement lent. De ce fait, les mouvements du patient constituent un obstacle important puisqu'ils perturbent ce processus d'acquisition, ce qui se traduit par des artéfacts dans l'image reconstruite. L'imagerie cardiaque et abdominale sont donc particulièrement sensibles à cette problématique du mouvement. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une méthode de correction de mouvement intégrable dans un contexte multi-contraste. Nous avons étudié dans un premier temps la question de la correction de mouvement seule. Pour cela, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la méthode GRICS déjà développée au laboratoire IADI. Cette méthode permet la reconstruction conjointe d'une image sans artéfact et d'un modèle de mouvement non rigide permettant de corriger les déplacements qui surviennent pendant l'acquisition. Le premier apport majeur de cette thèse a consisté à améliorer la méthode GRICS, notamment pour l'adapter à l'imagerie volumique 3D. Il s'agit d'une nouvelle méthode de régularisation adaptative particulièrement adaptée au problème inverse posé dans GRICS. Le second apport majeur de cette thèse a consisté à gérer la correction de mouvement GRICS de manière conjointe sur des acquisitions présentant des contrastes différents. Il s'agit de concevoir l'examen IRM comme un tout et d'exploiter au mieux les informations partagées entre les différents contrastes. Toutes ces méthodes ont été appliquées et validées par des simulations, des tests sur fantôme, sur volontaires sains et sur des patients dans la cadre d'études cliniques. L'application cardiaque a été particulièrement visée. Les méthodes développées ont permis d'améliorer le processus d'acquisition et de reconstruction dans le contexte clinique réel / Magnetic Resonance Imaging (MRI) has two main features. The first one, its ability to manipulate contrast, is a major advantage compared to the other imaging modalities. It allows to access complementary information for a better detectability and a diagnostic more accurate. This is especially useful for myocardium pathologies. The second feature of MRI is also one of its main drawbacks: the acquisition process is slow. Therefore, patient motion is a significant obstacle because it disturbs the acquisition process, which leads to artifacts in the reconstructed image. Cardiac and thoracic imaging are particularly sensitive to this motion issue. The aim of this thesis is to develop a new motion correction method that can be integrated in a multi-contrast workflow. In a first phase, we studied apart the motion correction problem. To do so, we focused more particularly on the GRICS method which was already developed in the IADI laboratory. This method allows the joint reconstruction of an image free from artifact and a non-rigid motion model that describes the displacements occurring during the acquisition. The first major contribution of this thesis is an improvement of the GRICS method consisting mainly in adapting it to the 3D imaging. This was achieved with a new adaptive regularization method that perfectly suits the inverse problem posed in GRICS. The second major contribution of this thesis consists in the simultaneous management of the motion correction on multiple acquisitions with different contrasts. To do so, the MRI examination is considered as a whole. Thus we make the most of information shared between the different contrasts. All these methods have been applied and validated by simulations, tests on phantom, on healthy volunteers and on patients as part of clinical studies. We aimed more particularly at cardiac MR. Finally the developed methods improve the acquisition and reconstruction workflow in the framework of a real clinical routine

En imagerie par résonance magnétique cardiaque et thoracique, les mouvements cardiaques et respiratoires sont enregistrés avec des capteurs tels que les capteurs ECG et les ceintures respiratoires pour synchroniser les acquisitions et pour pratiquer des corrections rétrospectives des images. Le positionnement de ces capteurs augmente le temps de préparation des patients. Il présuppose également la tolérance des patients à être placés dans un espace restreint et déjà contraint par l'antenne radio-fréquence (RF) nécessaire à l'imagerie. Enfin, ces capteurs peuvent diminuer la qualité du signal et donc celle des images. Dans ces travaux, l'antenne RF déjà présente pour la réalisation de l'examen d'imagerie a été elle-même étudiée en tant que capteur de mouvements. Les variations des propriétés électromagnétiques des tissus dues aux mouvements se répercutent de manière directe sur l'impédance de l'antenne. Les variations d'impédance induites par les mouvements ont été étudiées dans des dispositifs utilisant soit des antennes RF volumiques ou des antennes RF surfaciques sur des objets-test animés et sur des sujets sains. Les mouvements respiratoires, cardiaques et les taux sanguins ont été enregistrés avec cette méthode. Puis, les résultats expérimentaux ont été comparés à des simulations électromagnétiques et aux données de la littérature. Une correction de mouvements rétrospective avec l'algorithme GRICS a été appliquée à ces données démontrant la faisabilité de l'utilisation des antennes d'imagerie comme capteurs de mouvements / Especially in cardiac and thoracic magnetic resonance imaging, respiratory motion and heart movement need to be registered using sensors like electrocardiogram or respiratory belts, in order to trigger the image acquisition or perform retrospective corrections. The placement of the sensors extends the patient preparation time, is critical for signal quality and, hence, image quality, and expects patients to tolerate additional sensors besides the imaging coil and space restrictions. In this work, the imaging coil itself was investigated for sensor-less motion registration. Motion-related variations of the electromagnetic properties of tissue have a direct effect on the coil impedance. Lung motion, myocardial-related motion, and vascular blood flow were registered with this method. The experimental findings were compared to electromagnetic simulations and the data gathered by state-of-the-art sensors, and retrospective motion correction with the GRICS algorithm was executed

Les maladies cardiovasculaires sont parmi les principales causes de mortalité à l’échelle mondiale. Un certain nombre de maladies cardiaques peuvent être identifiées et localisées par l’analyse du mouvement et de la déformation cardiaques à partir de l’imagerie médicale. Cependant, l’utilisation de ces techniques en routine clinique est freinée par le manque d’outils de quantification efficaces et fiables. Dans cette thèse, nous introduisons un algorithme de quantification appliqué aux images IRM marquées. Nous présentons ensuite un pipeline de simulation qui génère des séquences cardiaques synthétiques (US et IRM). Les principales contributions sont décrites ci-dessous. Tout d’abord, nous avons proposé une nouvelle extension 3D de la méthode de la phase harmonique. Le suivi de flux optique en utilisant la phase a été combiné avec un modèle de régularisation anatomique afin d’estimer les mouvements cardiaques à partir des images IRM marquées. En particulier, des efforts ont été faits pour assurer une estimation précise de la déformation radiale en imposant l’incompressibilité du myocarde. L’algorithme (dénommé HarpAR) a ensuite été évalué sur des volontaires sains et des patients ayant différents niveaux d’ischémie. HarpAR a obtenu la précision de suivi comparable à quatre autres algorithmes de l’état de l’art. Sur les données cliniques, la dispersion des déformations est corrélée avec le degré de fibroses. De plus, les segments ischémiques sont distingués des segments sains en analysant les courbes de déformation. Deuxièmement, nous avons proposé un nouveau pipeline de simulation pour générer des séquences synthétiques US et IRM pour le même patient virtuel. Les séquences réelles, un modèle électromécanique (E/M) et les simulateurs physiques sont combinés dans un cadre unifié pour générer des images synthétiques. Au total, nous avons simulé 18 patients virtuels, chacun avec des séquences synthétiques IRM cine, IRM marquée et US 3D. Les images synthétiques ont été évaluées qualitativement et quantitativement. Elles ont des textures d’images réalistes qui sont similaires aux acquisitions réelles. De plus, nous avons également évalué les propriétés mécaniques des simulations. Les valeurs de la fraction d’éjection et de la déformation locale sont cohérentes avec les valeurs de référence publiées dans la littérature. Enfin, nous avons montré une étude préliminaire de benchmarking en utilisant les images synthétiques. L'algorithme générique gHarpAR a été comparé avec un autre algorithme générique SparseDemons en termes de précision sur le mouvement et la déformation. Les résultats montrent que SparseDemons surclasse gHarpAR en IRM cine et US. En IRM marquée, les deux méthodes ont obtenu des précisions similaires sur le mouvement et deux composants de déformations (circonférentielle et longitudinale). Toutefois, gHarpAR estime la déformation radiale de manière plus précise, grâce à la contrainte d’incompressibilité du myocarde. / Cardiovascular disease is one of the major causes of death worldwide. A number of heart diseases can be diagnosed through the analysis of cardiac images after quantifying shape and function. However, the application of these deformation quantification algorithms in clinical routine is somewhat held back by the lack of a solid validation. In this thesis, we mainly introduce a fast 3D tagged MR quantification algorithm, as well as a novel pipeline for generating synthetic cardiac US and MR image sequences for validation purposes. The main contributions are described below. First, we proposed a novel 3D extension of the well-known harmonic phase tracking method. The point-wise phase-based optical flow tracking was combined with an anatomical regularization model in order to estimate anatomically coherent myocardial motions. In particular, special efforts were made to ensure a reasonable radial strain estimation by enforcing myocardial incompressibility through the divergence theorem. The proposed HarpAR algorithm was evaluated on both healthy volunteers and patients having different levels of ischemia. On volunteer data, the tracking accuracy was found to be as accurate as the best candidates of a recent benchmark. On patient data, strain dispersion was shown to correlate with the extent of transmural fibrosis. Besides, the ischemic segments were distinguished from healthy ones from the strain curves. Second, we proposed a simulation pipeline for generating realistic synthetic cardiac US, cine and tagged MR sequences from the same virtual subject. Template sequences, a state-of-the-art electro-mechanical (E/M) model and physical simulators were combined in a unified framework for generating image data. In total, we simulated 18 virtual patients (3 healthy, 3 dyssynchrony and 12 ischemia), each with synthetic sequences of 3D cine MR, US and tagged MR. The synthetic images were assessed both qualitatively and quantitatively. They showed realistic image textures similar to real acquisitions. Besides, both the ejection fraction and regional strain values are in agreement with reference values published in the literature. Finally, we showed a preliminary benchmarking study using the synthetic database. We performed a comparison between gHarpAR and another tracking algorithm SparseDemons using the virtual patients. The results showed that SparseDemons outperformed gHarpAR in processing cine MR and US images. Regarding tagged MR, both methods obtained similar accuracies on motion and two strain components (circumferential and longitudinal). However, gHarpAR quantified radial strains more accurately, thanks to the myocardial incompressibility constraint. We conclude that motion quantification solutions can be improved by designing them according to the image characteristics of the modality and that a solid evaluation framework can be a key asset in comparing different algorithmic options.

Cette thèse porte sur le développement et l’évaluation de techniques d’imagerie en échocardiographie. L’objectif est de proposer des méthodes d’imagerie ultrasonore ultrarapide pour estimer le mouvement cardiaque 2-D et 3-D.Première modalité d’imagerie du cœur, l’échocardiographie conventionnelle permet la mesure des déformations myocardiques à 80 images/s. Cette cadence d’imagerie est insuffisante pour quantifier les mouvements de la totalité du myocarde lors de tests d’efforts, utiles en évaluation clinique, au cours desquels le rythme cardiaque est augmenté. De plus, la résolution temporelle actuelle en échocardiographie 3-D limite ses applications, pourtant essentielles pour une caractérisation complète du cœur.Les contributions présentées ici sont 1) le développement et l’évaluation, pour l’application cardiaque, d’une méthode originale d’estimation de mouvement 2-D par imagerie ultrarapide et marquage des images, 2) l’étude de faisabilité de la mesure globale des déformations cardiaques avec une méthode innovante d’imagerie ultrasonore ultrarapide 2-D et 3) la généralisation de cette approche en 3-D pour l’imagerie des volumes cardiaques à haute résolution temporelle. Cette technique est basée sur l’émission d’ondes divergentes, et l’intégration d’une compensation de mouvement dans le processus de formation des volumes cardiaques.La méthode proposée permet l’estimation des mouvements cardiaques 2-D et l’échocardiographie ultrarapide 3-D. L’évaluation de notre approche pour la quantification des déformations myocardiques locales 2-D et 3-D pourrait permettre de proposer des pistes innovantes pour poursuivre nos études et améliorer le diagnostic en routine clinique / This PhD work focuses on the development and the evaluation of imaging techniques in echocardiography. Our objective is to propose ultrafast ultrasound imaging methods for 2-D and 3-D cardiac motion estimations.Echocardiography is one of the most widespread modality for cardiovascular imaging. Conventional clinical scanners allow measurement of myocardial velocities and deformations at 80 images / s. In some situations, it can be recommended to increase the heart rate during a stress echocardiographic examination. Motion estimation of the whole myocardium at such heart rates is challenging with the conventional imaging systems. In addition, the low temporal resolution of the current conventional 3-D echocardiography limits quantitative applications, which would be needed for a complete characterization of the heart.The three contributions presented here are 1) the development and evaluation of an original method for 2-D cardiac motion estimation, with ultrafast imaging and image tagging, 2) the feasibility study of the global myocardial deformation measurement using an innovative 2-D ultrafast ultrasound imaging method and 3) the generalization of this approach in three dimensions for high frame-rate 3-D echocardiography. This method is based on the transmission of divergent waves and the integration of motion compensation, during the imaging process, to produce high-quality volumetric images of the heart.The proposed method allows 2-D cardiac motion estimation and 3-D echocardiography at high frame-rate. The evaluation of our approach for local 2-D and 3-D myocardial deformation measurements should permit to conduct further study in order to improve medical diagnosis