La planification chirurgicale repose sur l’anatomie du patient, et repose souvent sur l’analyse d’images médicales acquises avant la chirurgie. En particulier, c’est le cas pour les interventions de chirurgie pelvienne en pédiatrie, pour de nombreuses pathologies telles que des tumeurs et des malformations. Dans cette zone anatomique, en raison de sa forte vascularisation et innervation, une bonne planification chirurgicale est extrêmement importante pour éviter des lésions fonctionnelles des organes du patient, qui pourraient nuire a sa qualité de vie. En pratique clinique, la procédure standard repose sur l’analyse visuelle, coupe par coupe, des images de la région pelvienne. Cette tâche, même si elle est facilement accomplie par des radiologues experts, est très complexe et fastidieuse pour les chirurgiens, en raison de la complexité et de la variabilité des structures anatomiques et, par conséquent, de leurs images. De plus, en raison des variations anatomiques selon l’age du patient, toutes ces difficultés sont accentuées en pédiatrie et une compréhension anatomique claire est encore plus importante que pour les adultes. Pour ces raisons, il est important et utile d’être capable de fournir aux chirurgiens des modèles anatomiques 3D spécifiques aux patients, obtenus par traitement et analyse des images IRM.Dans cette thèse, nous proposons un ensemble de méthodes de segmentation d’images IRM de patients pédiatriques. Nous nous concentrons sur trois structures pelviennes importantes : les os du bassin, les vaisseaux sanguins et la vessie. Pour les os, nous proposons une méthode semi-automatique comportant une première étape de recalage de modèles osseux puis une étape de segmentation fine par modèles déformables. La principale contribution de la méthode proposée est l’introduction d’un ensemble de modèles osseux pour différentes tranches d’age, ce qui permet de prendre en compte la variabilité des os pendant la croissance. Pour les vaisseaux, nous proposons une méthode par patchs, apprentissage profond et transfert d’apprentissage, donc ne nécessitant que peu de donnes d’apprentissage. La principale contribution de ce travail est la conception d’une procédure semi-automatique pour l’extraction des patchs, qui permet a l’utilisateur de se focaliser uniquement sur les vaisseaux d’intérêt; et pour la planification chirurgicale. Pour la segmentation de la vessie, nous proposons d’utiliser une approche par modèles déformables, particulièrement robuste aux hétérogénéités de l’image et aux effets de volume partiel, souvent présents dans les images IRM pédiatriques. Toutes les méthodes proposées sont intégrées dans une plateforme logicielle libre pour le traitement d’images médicales, donnant aux chirurgiens des outils performants avec des interfacesutilisateur faciles a utiliser. De plus, nous mettons en place une stratégie de traitement et de portabilité pour la visualisation des modèles 3D du patient, permettant aux chirurgiens de générer, visualiser et partager ces modèles au sein de l’hôpital. En conclusion, les résultats obtenus avec les méthodes proposées sont quantitativement et qualitativement évalués de manière très positive par des chirurgiens pédiatriques, démontrant leurs potentialités pour l’utilisation en pratique clinique dans des procédures de planification chirurgicale. / Surgical planning relies on the patient’s anatomy, and it is often based on medical images acquired before the surgery. This is in particular the case for pelvic surgery on children, for various indications such as malformations or tumors. In this particular anatomical region, due to its high vascularization and innervation, a good surgical planning is extremely important to avoid potential functional damages to the patient’s organs that could strongly affect their quality of life. In clinical practice the standard procedure is still to visually analyze, slice by slice, the images of the pelvic region. This task, even if quite easily performed by the expert radiologists, is difficult and tedious for the surgeons due to the complexity and variability of the anatomical structures and hence their images. Moreover, due to specific anatomy depending on the age of the patient, all the difficulties of the surgical planning are emphasized in the case of children, and a clear anatomical understanding is even more important than for the adults. For these reasons, it is very important and challenging to provide the surgeons with patient-specific 3D reconstructions, obtained from the segmentation of MRI images. In this work we propose a set of segmentation tools for pelvic MRI images of pediatric patients. In particular, we focus on three important pelvic structures: the pelvic bones, the pelvic vessels and the urinary bladder. For pelvic bones, we propose a semi-automatic approach based on template registration and deformable models. The main contribution of the proposed method is the introduction of a set of bones templates for different age ranges, which allows us to take into account the bones variability during growth. For vessels segmentation, we propose a patch-based deep learning approach using transfer learning, thus requiring few training data. The main contribution of this work is the design of a semi-automatic strategy for patches extraction, which allows the user to focus only on the vessels of interest for surgical planning. For bladder segmentation, we propose to use a deformable model approach that is particularly robust to image inhomogeneities and partial volume effects, which are often present in pediatric MRI images. All the developed segmentation methods are integrated in an open-source platform for medical imaging, delivering powerful tools and user-friendly GUIs to the surgeons. Furthermore, we set up a processing and portability workflow for visualization of the 3D patient specific models, allowing surgeons to generate, visualize and share within the hospital the patient specific 3D models. Finally, the results obtained with the proposed methods are quantitatively and qualitatively evaluated by pediatric surgeons, which demonstrates their potentials for clinical use in surgical planning procedures.

Introduction : L’utilisation des méthodes anatomiques classiques rend difficile la localisationprécise des micro-fibres nerveuses et ne permet pas de déterminer leur nature ni leur fonction.La chirurgie pelvienne est associée à des séquelles urinaires et sexuelles fréquentes causéespar lésion iatrogène des nerfs pelviens. La connaissance de l’anatomie et de la physiologie del’innervation intra-pelvienne est fondamentale pour tenter de réduire le taux de troublesfonctionnels postopératoires.Objectifs : i) étudier l’anatomie topographique et la nature de fibres nerveuses intrapelvienneen utilisant la reconstruction tridimensionnelle des coupes histologiques immunomarquéesii) standardiser la technique de Dissection Anatomique Assistée par Ordinateur(DAAO) et vérifier sa faisabilité sur des sujets adultes et iii) établir grâce à cette technique deDAAO des modèles pédagogiques tridimensionnels afin d’améliorer la compréhension desdysfonctions sphinctériennes et sexuelles survenant après la chirurgie (rectale et prostatique)et d’adapter éventuellement la technique opératoire.Matériel et méthodes : Des coupes histologiques sériées de pelvis ont été réalisées chez septfoetus masculins, sept foetus féminins et six cadavres adultes masculins. Les coupes ont ététraitées par des méthodes histologiques (Hématoxyline-Eosine et trichrome de Masson) etimmuno-histochimiques pour détecter les fibres nerveuses (anti-S100), les fibres somatiques(anti-PMP22), les fibres adrénergiques (anti-TH), cholinergiques (anti-VAChT), sensitives(anti-SP/CGRP) et nitrergiques (anti-nNOS) ainsi que l’actine lisse des sphincters. Les lamesont ensuite été numérisées par un scanner de haute résolution optique et les imagesbidimensionnelles ont été reconstruites en trois dimensions grâce au logiciel WinSurf.Résultats: La reconstruction tri-dimensionnelle des coupes histologiques immuno-marquéesa permis d'identifier l’anatomie topographique et structurelle de l’innervation intra-pelvienne.Les structures nerveuses afférentes du plexus hypogastrique inférieur (PHI) : nerfssplanchniques pelviens (NSP) et nerfs hypogastriques (NH) véhiculent de façon mixte l’influxsympathique et parasympathique pelvien.Les fibres nerveuses issues de la partie distale du PHI sont responsables de la continenceurinaire et de la fonction sexuelle. Elles sont regroupées et associées au pédicule vasculairepour former la bandelette neuro-vasculaire (BNV). Trois efférences principales sont issues decette BNV : i) des fibres antérieures destinées au sphincter urétral, ii) des fibres antérolatérales,par rapport à la prostate et au vagin, constituant le nerf caverneux destiné aux corpscaverneux du pénis/clitoris et iii) des fibres nerveuses postéro-latérales, par rapport à laprostate et au vagin, formant le « nerf spongieux » destiné aux corps spongieux/bulbesvestibulaires.Les communications autonomiques-somatiques entre le PHI supra-lévatorien et le nerfpudendal infra-lévatorien existent à trois niveaux ; proximal, intermédiaire et distal. Lacommunication distale caverno-pudendale est responsable de l’activité érectile segmentaireobservée au sein du nerf dorsal du pénis/clitoris.Conclusion: La DAAO est une méthode originale de recherche anatomique qui a étéprogressivement améliorée au sein de notre unité de recherche. Cette évolution illustre le faitque l'anatomie descriptive est encore une science dynamique. Notre étude a permis dedévelopper des modèles anatomo-physiologiques d’innervation pelvienne contribuant àaméliorer du point de vue morphologique, chirurgical et pédagogique la compréhension derégions anatomiques complexes comme le petit bassin. / Introduction: Classic anatomical methods have limitations in micro determination of nervefibre location. Furthermore, the precise detection of the nerve fibres nature is not possible bymeans of dissection. Pelvic surgery is associated with urinary and sexual consequence causedby iatrogenic damage of the pelvic nerves. Anatomic and physiologic knowledge of the intrapelvicinnervation is essential to reduce the rate of postoperative functional complication.Objectives: i) to study the topographic anatomy and the nature of intra-pelvic nerve fibersusing three-dimensional reconstruction of histological immuno-labeled sections ii)standardize the technique of Computer-Assisted Anatomic Dissection (CAAD) and check itsfeasibility on adult subjects iii) reconstructe three dimensional teaching models to improveunderstanding of urinary and sexual dysfunction occurring after surgery (of rectal and ofprostate) to ameliorate the operative technique.Materials and methods: serial histological sections of pelvic portion were performed inseven male foetuses, seven female foetuses and six adult male cadavers. The sections weretraited by histological methods (Hematoxylin-Eosin and Masson's trichrome) and immunohistochemicalmarker of the nerve fibers (anti-S100), the somatic fibers (anti-PMP22), theadrenergic (anti-TH), cholinergic (anti-VAChT), sensory (anti-SP/CGRP) and nitrergic (antinNOS)fibers and the actin smooth muscles. The slides were then digitized by a scanner ofhigh optical resolution and two-dimensional images were reconstructed in three dimensionsusing WinSurf software.Results: The three dimensional reconstruction of histological immuno-labelled sectionsidentified structural and topographic anatomy of intra-pelvic innervation. The afferencenerves of the inferior hypogastric plexus (IHP): pelvic splanchnic nerves (PSN) andhypogastric nerves (HN) contain both sympathetic and parasympathetic fibers.The nerve fibers from the distal part of the IHP is responsible for urinary continence andsexual function. They are grouped and associated with the vascular pedicle to form theneurovascular bundles (NVB). Efferences of this NVB are distributed in three maindirections: i) anterior fibers the urethral sphincter, ii) anterolateral fibers, compared withprostate / vagina, which constitute the cavernous nerve for the corpora cavernosa of the penis/ clitoris and iii) " spongious nerve”, which is the continuity of posterior-lateral nerve fibers,compared with prostate / vagina, for the corpus spongiosum / vestibular bulbs.Autonomic-somatic communications between supra-lavator IHP and infra-levator pudendalnerve are present at three levels; proximal, intermediate and distal communications. Cavernopudendaldistal communication provides segmental erectile activity of the dorsal nerve of thepenis / clitoris.Conclusion: The CAAD is an original method in anatomical research which has beenprogressively improved. This illustrates the fact that descriptive anatomy is still a dynamicscience. Our study has developed anatomico-physiological models of intra-pelvic innervationcontributing to a better understanding of complex anatomical