L'objectif de cette thèse était d'explorer le potentiel de l’imagerie du cerveau humain par ultrasons. L'anatomie, le flux sanguin et la rigidité des tissus mous ont déjà été étudiés avec l'imagerie ultrasonore ultrarapide chez l'homme et validés sur plusieurs organes, tels que le sein et le foie, mais pas encore sur le cerveau adulte. La principale limitation de l'imagerie échographique transcrânienne est aujourd'hui le très fort artefact d'aberration induit par le crâne. En effet, l’os, de par sa composition ne permet pas la propagation des ultrasons comme ailleurs dans le corps humain. Dans cette thèse, nous avons utilisé l'imagerie ultrasonore ultrarapide pour l'évaluation de la rigidité des tissus mous et l'imagerie neurofonctionnelle dans le cerveau humain adulte, lors de chirurgies du cerveau afin de contourner dans un premier temps le problème des aberrations induites par le crâne. La dernière partie de cette thèse était axée sur la correction d’aberration pour l’échographie quantitative et l’imagerie ultrasonore transcrânienne. Nous avons tout d’abord fourni plusieurs preuves de l'intérêt d'utiliser l’élastographie par onde de cisaillement pendant la chirurgie du cerveau. Nous avons également présenté notre nouvelle technique d’élastographie par onde de cisaillement en 3D à l'aide d'une sonde matricielle dans le but de pouvoir dépasser les limitations du 2D et notamment être moins dépendant de l’opérateur.Dans un second volet, nous avons démontré la capacité des ultrasons ultrarapides à identifier, cartographier et différencier en profondeur les régions d'activation corticales en réponse à un stimulus, à la fois chez les patients éveillés et chez les patients anesthésiés. Nous avons démontré que l'imagerie neurofonctionnelle par ultrasons a le potentiel de devenir une modalité complète de neuroimagerie avec des avantages majeurs pour une utilisation peropératoire.Dans un troisième volet, nous avons utilisé une technique en trois étapes pour calculer précisément la vitesse du son (SSE) dans un milieu. Cette technique a été testée dans des fantômes ultrasonores et in vivo dans les foies de patients. Dans les deux cas, notre méthode a été capable de trouver la vitesse du son correspondant au milieu. Nous avons démontré que la SSE était liée à la fraction de graisse. Cette analyse a permis de conclure que la SSE était en mesure de distinguer un foie sain et d’un foie malade aussi bien avec la biopsie qu’avec l’IRM comme méthode de référence. Combiné à l'utilisation de la formule de Wood, nous avons même pu avoir accès à une fraction de graisse mesurée par ultrasons de manière non invasive. Puis nous avons combiné la correction d’aberration de phase, d'amplitude et de vitesse du son pour faire de l’imagerie transcrânienne en simulation numérique. Nous avons atteint notre objectif en obtenant des images représentant fidèlement le milieu (position latérale et profondeur) et caractérisées par une résolution et un contraste similaires à ceux obtenus avec une source ponctuelle dans le milieu / The objective of this thesis was to explore the potential of human brain ultrasound imaging. Anatomy, blood flow and soft tissue stiffness have already been studied with ultrafast ultrasound imaging in humans and validated in several organs, such as, the breast and liver but not yet on the adult brain. The main limitation of transcranial ultrasound imaging is today the very strong skull-induced aberration artefact. Indeed, the bone, due to its composition, does not allow for ultrasound propagation as elsewhere in the human body. Therefore, this thesis was focused on the development of ultrafast ultrasound imaging for the evaluation of soft tissue stiffness and neurofunctional imaging in the adult human brain, during brain surgery to bypass the problem of skull aberration, and on an aberration correction technique for transcranial ultrasound imaging.We first provided several evidence of the benefit of using shear wave elastography during brain surgery. We also presented our new technique for 3D shear wave elastography using a matrix array in order to be able to overcome the limitations of 2D imaging and in particular to reduce the operator dependence.In a second phase, we demonstrated the capability of ultrasound to identify, map and differentiate in depth cortical regions of activation in response to a stimulus, both in awake patients and in anaesthetized patients. We have demonstrated that ultrasound neurofunctional imaging has the potential to become a comprehensive modality of neuroimaging with major benefits for intraoperative use. In a third part, we developed a new sound speed estimation (SSE) technique, based on a three-step technique that estimates the sound speed accurately corresponding to the illuminated medium. This technique was tested in ultrasound phantoms and in vivo in patient’s liver. In both cases, our method was able to find the sound speed corresponding to the medium. We demonstrated that SSE was related to the fat fraction. This analysis led to the conclusion that SSE was able to distinguish a healthy liver from a diseased liver with both biopsy and MRI as gold standard. Combined with the use of the Wood’s formula, we were even able to access a fat fraction measured by non-invasive ultrasound. Finally, by combining the phase, the amplitude and the sound speed estimation, we have developed a new aberration correction algorithm to perform transcranial ultrasound imaging. By performing numerical simulations, we obtained images that faithfully represented the medium (lateral position and depth) and characterized by one resolution and one contrast similar to those obtained with a punctual source in the medium

L’étude de la complexité de l’anatomie du cerveau humain nécessite la caractérisation des paramètres multimodaux et multi-échelle obtenus par des techniques de neuroimagerie récentes. Pour ce travail de thèse nous avons tiré profit d’un logiciel automatique actuel d’analyse surfacique d’images cérébrales afin d’extraire les phénotypes structuraux du cortex cérébral humain, c’est-à-dire l’épaisseur corticale, l’aire de la surface, la profondeur sulcale, la courbure et le contenu en myéline intracorticale. L’objectif principal de ce travail a été de caractériser des variables structurales multimodales sur une large base de données de plus de 450 adultes sains âgés de 18 à 57 ans (base de données BIL&GIN) dans le but de décrire la variabilité interindividuelle de l’organisation structurale du cerveau et notamment la recherche de marqueurs de la maturation cérébrale et de la latéralisation. Nous avons tout d’abord pris l’exemple du gyrus de Heschl, support anatomique du cortex auditif primaire, qui possède une grande variabilité en lien avec l’existence de différents profils de duplication du gyrus couplée à de fortes différences interhémisphériques. Nous avons montré qu’une duplication partielle ou complète du gyrus de Heschl était associée à des modifications locorégionales d’épaisseur corticale, d’aire de la surface et de myéline localisée postérieurement à ce gyrus et dans le planum temporale, ces deux régions étant impliquées dans le traitement du langage. Dans une deuxième étude, nous avons recherché les modifications structurales du cortex associées à la maturation tardive (entre 18 et 30 ans) et à l’atrophie corticale liée au vieillissement. Nous avons montré que l’établissement d’un index de maturation basé sur l’intégration de l’épaisseur corticale et de la myéline intracorticale améliorait la discrimination entre les 2 profils de modifications de la substance grise pendant ces deux périodes de la vie. Finalement, nous avons caractérisé les asymétries corticales en utilisant un recalage surfacique des hémisphères qui s’affranchit des différences de morphologie sulcale et de position entre les deux hémisphères. Nous avons mis en évidence des régions pour lesquelles les asymétries d’épaisseur et de surface étaient concordantes (asymétrie gauche ou droite pour les deux variables anatomiques) et des régions pour lesquelles les asymétries étaient opposées (gauche pour l’une des variables et droite pour l’autre). Environ 20% des régions qui montraient une asymétrie d’épaisseur et d’aire présentaient des corrélations négatives entre ces variables. Il est frappant de constater que les deux régions ayant les asymétries les plus fortes, le planum temporale et le sillon temporal supérieur, ont des corrélations positives entre leurs asymétries d’épaisseur et d’aire. Le planum temporale possède une asymétrie gauche à la fois pour l’épaisseur et l’aire alors que le sillon temporal supérieur a une asymétrie droite pour les deux variables. Cette étude démontre qu’il existe des corrélations entre les asymétries d’épaisseur et d’aire qui sont caractéristiques de l’organisation du cortex. Ces régions sont des sites clé pour lesquels il reste maintenant à étudier la pertinence en tant que marqueurs de la latéralisation cérébrale et leurs corrélats fonctionnels. / Studying the complexity of the human brain anatomy requires the characterization of multimodal and multiscale features obtained by recent in vivo neuroimaging techniques. In the present thesis, we benefited from up to date automated surface-based brain image analysis software to extract structural phenotypes of the human cerebral cortex, namely the cortical thickness, the surface area, the sulcal depth, the curvature and the intracortical myelin content. The principal aim of this work was to characterize multimodal structural variables on a large database of 450 healthy adults aged from 18 to 57 years (the BIL&GIN database) in order to describe the inter-individual variability of brain structural organization and notably the research of candidate markers for brain maturation and lateralization. We first took the example of the Heschl’s gyrus hosting the primary auditory cortex and having high variability due to the presence of different pattern of gyrus duplication coupled with strong interhemispheric differences. We showed that the partial or complete duplication of the Heschl’s gyrus was associated to loco-regional modifications in terms of cortical thickness, surface area and myelin located posteriorly to this gyrus and in the planum temporale, this two regions being implied in language processing. In a second study, we investigated the cortical structural modifications associated to late maturation (between 18 and 30 years) and cortical atrophy linked to aging. We revealed that the computation of a maturation index based on an integration of cortical thickness and intracortical myelin improved the discrimination of two different patterns of grey matter changes during these different stages of life. Finally, we characterized cortical asymmetries using a specific hemisphere surface matching which removed differences in sulcal morphology and position between both hemispheres. We highlighted regions where thickness and surface area asymmetries were concordant (leftward or rightward asymmetry for both anatomical variables) and regions of opposite asymmetries (leftward for one and rightward for the other). About 20% of regions that showed cortical thickness and surface area asymmetries presented negative correlation between these variables. It is striking that the two regions with the strongest anatomical asymmetries; the planum temporale and the superior temporal sulcus had rather positive asymmetry correlations. The planum temporale presented a leftward asymmetry of both cortical thickness and area while the superior temporal sulcus showed a right asymmetry of the two variables. This study demonstrated that there were correlations between thickness and surface area asymmetries, characteristics of the cortex organization. These areas are key sites for which it now remains to study the anatomical relevance as markers of brain lateralization and its functional correlates.

Ces travaux visent à améliorer la biofidélité des modèles virtuels de l’être Humain. Les statistiques montrent que la tête humaine est fréquemment sujette à des traumatismes cérébraux, des lésions et autres blessures. Une attention particulière sera donc donnée à la modélisation de la tête. Afin de mieux prédire les mécanismes lésionnels de la tête, la biofidélite des modèles doit être améliorée, pour cela les effets du fluide situé à l’intérieur de la tête doivent être pris en compte. Cependant, la modélisation des interactions entre un fluide corporel visqueux et un matériau mou comme le cerveau reste un verrou scientifique. Il est proposé d’étudier en détail la modélisation des interactions fluide-structure entre un fluide et un corps mou. Premièrement, une étude bibliographique détaillée sur les méthodes numériques de modélisation des interactions fluides-structure a permis d’évaluer chacune d’elles et de juger de celle qui est la mieux adaptée pour la résolution de la problématique. Deuxièmement, lors de travaux de thèse précédents, une expérience a été réalisée montrant l’influence du liquide cérébrospinal sur la cinématique du cerveau lors d’un chargement dynamique. Cette expérience est utilisée dans un premier temps pour caractériser numériquement le gel silicone Sylgard 527 utilisé comme substitut de cerveau. Dans un second temps des méthodes de couplage partitionné disponible dans le code commercial LS-Dyna ICFD sont utilisées pour modéliser l’expérience. Bien que les modèles de gel précédemment caractérisés ont été utilisés, la version avec fluide n’a pas pu être modélisée avec succès. Troisièmement, un code de couplage partitionné est donc développé. Il consiste en un middleware écrit en C++ couplant deux codes éprouvés, OpenFOAM et LS-Dyna pour la modélisation du fluide et du solide respectivement. De plus, parce que très peu d’essais expérimentaux utilisables pour la validation de code d’interaction fluide-structure sont disponibles dans la littérature, une expérience permettant cela a été réalisée dans une soufflerie. La comparaison des prédictions numériques avec les résultats expérimentaux est prometteuse et donne des résultats globaux satisfaisants. Les points qui ne peuvent pas être validés nécessitent de plus amples investigations et permettront d’améliorer les techniques de modélisations et le développement du code. / The purpose of this work is to improve the biofidelity of the human body models. The work is focused on the human head as it is one of the most injured part. In order to improve the traumatic brain injury onset and mechanism, the biofidelity of the head models has to be increased, thus, the fluids embedded inside the head has to be taken into account. Nevertheless, the modelling of the interactions occurring between the viscous corporal fluids and the soft matter as the brain remains a challenge. This study intends to investigate the fluid-structure interactions between a soft structure and a fluid. Firstly, in order to found the most relevant methods to solve the problem, a deep literature survey has pointed-out all the numerical methods available nowadays. Secondly, in a previous PhD work an experimental test has been carried-out to demonstrate the influence of the cerebrospinal fluid on the brain kinematics under dynamical load case. On one hand, the Silicon Sylgard 527 gel used as brain substitut has been characterized . Subsequently the partitioned coupling methods available in LS-Dyna ICFD have been assessed to model the experiment. Although, the previous characterized gel model has been used, the experiment has been unsuccessfully completed. Accordingly, it has been decided to develop an in-house coupling code. Thirdly, a partitioned coupling code has been developed. It is a middleware in C++ between two well establishing solvers OpenFOAM and LS-Dyna respectively for the fluid and the solid. Because there is very few experimental tests for the coupling code validation, it has been carried-out in this work a fluid-structure interaction experiment involving a soft plate in a wind channel. This appealing experiment allows the scientific community to validate easily their coupling algorithms. Subsequently, the developed coupling code is used to model the wind channel. The results depict a good overall agreement between the experiment and the simulation. Nonetheless, in order to get validated results further investigation are required mainly about the flow modelling.

Deux méthodes d'imagerie par résonance magnétique sont proposées pour analyser in vivo le tissu cérébral de la matière blanche. La première méthode permet l'acquisition ultra-rapide de cartes des métabolites cérébraux par une lecture de l'espace réciproque répétée à des intervalles de quelques millisecondes à l'aide d'une nouvelle trajectoire excentrée, combinée à un gradient de retour. Une procédure de correction de phase, pour prévenir la formation d'artéfacts de repliement dans l'image et le spectre, est introduite sur la base de paramètres déterminés à partir du signal des protons de l'eau. Une acquisition des cartes métaboliques tridimensionnelles de la créatine, de la choline, du N-acétylaspartate, du glutamate et du myo-inositol ont été déterminées de manière fiable dans la substance blanche humaine à 3 Tesla avec une matrice de taille 32 × 32 × 16 et une résolution isotropique de 7 mm. La deuxième méthode permet l'acquisition d'un train de 32 images échantillonnées géométriquement le long d'une courbe de recroissance, en employant une série d'échos de gradient excités par un angle de bascule de 5° pour éviter des effets de saturation. Après transformée inverse de Laplace utilisant une régularisation spatiale, on obtient une distribution continue des temps de relaxation spin-réseau, T1. Dans la région de T1 entre 100 ms et 230 ms, on distingue un pic attribué à l'eau hydratant les membranes de la myéline. La fraction apparente de cette composante de l'eau de myéline augmente en fonction de l'intensité du champ magnétique, de 8,3 % à 3 Tesla, à 11,3 % à 4 Tesla, pour atteindre 15,0 % à 7 Tesla / Two magnetic resonance imaging methods are proposed for the in vivo investigation of human brain white matter tissue. The first method allows the ultra-fast acquisition of maps of brain metabolites by repeating the sampling of k-space at intervals of a few milliseconds, with a center-out trajectory combined with flyback gradients. A phase-correction procedure is introduced to prevent the formation of aliasing artifacts in the image and in the spectrum, on the basis of parameters determined from the signal of the ubiquitous water protons. An acquisition of threedimensional metabolite maps of creatine, choline, N-acetylaspartate, glutamate, and myo-inositol were determined reliably in human brain white matter at 3 Tesla with a 32 × 32 × 16 matrix and a 7-mm isotropic resolution. The second method enables the acquisition of a train of 32 images geometrically sampled along an inversion-recovery curve, using a series of gradient echoes excited by a low 5° flip angle to avoid saturation effects. After inverse Laplace transform, using a spatial regularization, a continuous distribution of the spin-lattice relaxation times, T1, is obtained. In the region of T1 between 100 ms and 230 ms, a small component is attributed to water hydrating myelin membranes. The apparent fraction of this myelin water component increases with the strength of the magnetic field, from 8.3% at 3 Tesla, to 11.3% at 4 Tesla, and 15.0% at 7 Tesla