Les produits de contraste ultrasonore constituent un véritable apport pour l’imagerie échographique et sont aujourd’hui utilisés en clinique pour l’évaluation de la perfusion cardiaque ou encore la détection de tumeurs. Depuis quelques années, les transducteurs capacitifs micro-usinés (cMUTs) se présentent comme une alternative intéressante aux transducteurs piézoélectriques classiques et offrent certains avantages comme une large bande passante. Nous proposons dans cette thèse d’évaluer le potentiel de cette technologie pour l’imagerie de contraste. Dans un premier temps, notre étude s’est orientée vers l’adaptation des cMUTs à l’imagerie non linéaire. Ensuite, de nouvelles méthodes de détection de contraste, basées sur le comportement spécifique des microbulles, ont été développées pour exploiter les avantages de la technologie cMUT. Comparés aux méthodes conventionnelles, les résultats obtenus montrent une meilleure visualisation des agents de contraste par rapport aux tissus environnants. L’utilisation de cMUTs améliore l’efficacité de ces méthodes démontrant, ainsi, leur intérêt pour l’imagerie de contraste. / Using ultrasound contrast agents, many clinical diagnoses have now been improved thanks to new contrast dedicated imaging techniques. Contrast agents are now used routinely in cardiology and in radiology to improve the detection and visualization of blood perfusion in various organs (e.g. tumors). Since a few years, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (cMUTs) have emerged as a good alternative to traditional piezoelectric transducer. cMUTs provide several advantages such as wide frequency bandwidth which could be further developed for nonlinear imaging. In this dissertation, we propose to exploit cMUT for contrast agent imaging. Firstly, the excitation signal was adapted to suppress the inherent nonlinear behavior of cMUT. Then, new detection methods based on specific acoustic properties of microbubbles have been developed and evaluated with a cMUT probe. Results show a good suppression from tissue responses whereas echoes from microbubbles are enhanced. Furthermore, the efficiency of each method is improved by the use of cMUT revealing the potential of this new transducer technology for contrast agent detection.

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.

L’objectif de cette thèse est de proposer un algorithme de segmentation et de suivi du myocarde basé sur le formalisme des ensembles de niveaux. Nous modélisons dans un premier temps le myocarde par un modèle géométrique (hyperquadriques) qui permet de représenter des formes asymétriques telles que le myocarde tout en évitant une étape d’apprentissage. Ce modèle est ensuite inclus dans le formalisme des ensembles de niveaux afin de servir de contrainte de forme lors de la segmentation simultanée de l’endocarde et de l’épicarde. Ce terme d’a priori de forme est couplé à un terme local d’attache aux données ainsi qu’à un terme évitant la fusion des deux contours. L’algorithme est validé sur 80 images en fin systole et en fin diastole segmentées par 3 cardiologues. Dans un deuxième temps, nous proposons de segmenter l’ensemble d’une séquence en utilisant l’information de mouvement. Dans ce but, nous faisons l’hypothèse de conservation des niveaux de la fonction implicite associée à l’ensemble de niveaux et l’exprimons comme une énergie dans un formalisme variationnel. Cette énergie est ensuite ajoutée à l’algorithme décrit précédemment pour la segmentation statique du myocarde afin de contraindre temporellement l’évolution du contour. L’algorithme est alors validé sur 20 séquences échocardiographiques (soit environ 1200 images) segmentées par 2 experts. / The aim of this work is to propose an algorithm to segment and track the myocardium using the level-set formalism. The myocardium is first approximated by a geometric model (hyperquadrics) which allows to handle asymetric shapes such as the myocardium while avoiding a learning step. This representation is then embedded into the level-set formalism as a shape prior for the joint segmentation of the endocardial and epicardial borders. This shape prior term is coupled with a local data attachment term and a thickness term that prevents both contours from merging. The algorithm is validated on a dataset of 80 images at end diastolic and end systolic phase with manual references from 3 cardiologists. In a second step, we propose to segment whole sequences using motion information. To this end, we apply a level conservation constraint on the implicit function associated to the level-set and express this contraint as an energy term in a variational framework. This energy is then added to the previously described algorithm in order to constrain the temporal evolution of the contour. Finally the algorithm is validated on 20 echocardiographic sequences with manual references of 2 experts (corresponding to approximately 1200 images).

L’appendicite aiguë est la pathologie abdominale aiguë courante et la plus fréquente parmi celles qui nécessitent une intervention chirurgicale rapide. L’imagerie occupe une place croissante dans son diagnostic parce qu’elle tente d’éviter simultanément les appendicectomies inutiles et les perforations appendiculaires compliquées de péritonite tout en recherchant des pathologies alternatives. Si plusieurs techniques d’imagerie sont disponibles – dont la radiographie sans préparation de l’abdomen (dont la performance est faible) et l’imagerie par résonance magnétique (peu disponible, en particulier en urgence) – l’ultrasonographie (US) et la tomodensitométrie (TDM) occupent des positions centrales. Nos études ont investigué la performance de ces dernières, en considérant notamment la réduction de la dose d’irradiation et le recours aux contrastes artificiels. En effet, l’irradiation liée à l’usage de la TDM est à considérer puisque les patients souffrant d’appendicite aiguë sont jeunes (en moyenne 30 ans) tout comme le recours aux contrastes associé à des coûts, de l’inconfort et des risques. Enfin, la performance de ces techniques étant susceptibles d’être influencée par la corpulence des patients et leur quantité de graisse intra-abdominale, l’influence de ces paramètres sur la performance a été évaluée.<p><p>A travers quatre études, nous avons montré que l’US et la TDM sans contraste IV ou entérique ont des performances similaires quant au diagnostic d’appendicite aiguë et de pathologies alternatives, indépendamment de l’expérience du radiologue et de la corpulence du patient. Néanmoins, les examens non concluants (sans diagnostic d’appendicite aiguë ni de pathologie alternative mais où l’appendice n’est pas vu) sont plus fréquents en US qu’en TDM. L’appendice normal, dont la visualisation permet d’exclure le diagnostic d’appendicite aiguë, est plus fréquemment visible en TDM qu’en US, mais en TDM la reproductibilité quant à considérer la même structure comme étant l’appendice dépend du lecteur. L’injection IV de contraste iodé n’augmente pas la proportion d’appendices détectés mais la reproductibilité d’un lecteur particulier. Aucune caractéristique du sujet ni de son appendice, y compris son environnement abdominal, ne permet de prédire cette reproductibilité. La performance de la TDM est constante quelle que soit la dose d’irradiation ou le recours au contraste IV et/ou entérique, indépendamment de la corpulence du patient. La hiérarchie de l’information apportée par les signes évocateurs d’appendicite aiguë n’est pas influencée par la dose; l’infiltration de la graisse péri-appendiculaire et le diamètre appendiculaire en étant les signes les plus prédictifs, malgré le moindre rapport signal/bruit de l’image générée à faible dose. La fréquence de visualisation de l’appendice est aussi indépendante de cette dose. L’exactitude du diagnostic dépend principalement du lecteur mais pas du contraste – quelle qu’en soit la voie d’administration (orale ou IV) – ni de la dose d’irradiation. Le genre du patient influence cependant cette exactitude, le diagnostic étant plus fréquemment correct chez l’homme que chez la femme, en particulier dans les pathologies alternatives.<p><p>En conclusion, comme les techniques US et TDM que nous avons investiguées ont des performances équivalentes, les risques associés à l’irradiation et au contraste doivent intervenir dans leur choix. L’US, utilisée en première intention, devrait être complétée par la TDM si son résultat n’est pas concluant. Dans ce cas, la TDM devrait être réalisée, toujours à basse dose d’irradiation, d’abord sans puis, si nécessaire, avec contraste IV et/ou oral.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La qualité osseuse est un paramètre important à prendre en compte lors des différents types de chirurgie mis en œuvre pour les interventions sur le rachis. Cependant, ce paramètre reste difficile à estimer in vivo du fait notamment de la difficulté à accéder à ce site anatomique. Ce travail porte sur le développement d'une technique ultrasonore permettant d'estimer la qualité osseuse en utilisant la réponse échographique d'une tige métallique insérée dans l'os et utilisée dans le cadre de la chirurgie du rachis. Des travaux expérimentaux montrent la faisabilité de notre approche in vitro. Une tige métallique similaire à celle utilisée en clinique est insérée dans des échantillons d'os trabéculaire perpendiculairement à l'axe du traducteur. Les réponses échographiques de la tige immergée dans l'eau et insérée dans l'os sont comparées, ce qui permet de déterminer la vitesse de propagation dans l'os (SOS, Speed of Sound), ainsi que la pente du coefficient d'atténuation en fonction de la fréquence (BUA, Broadband Ultrasonic Attenuation). Les résultats obtenus pour les 21 échantillons montrent i) une corrélation significative entre SOS et la fraction volumique d'os (BV/TV, R² = 0.6 et p < 0.001); et ii) une non-linéarité de la variation du BUA et BV/TV (R² = 0.22 et p<0.001). Des simulations numériques utilisant des éléments finis spectraux en 2D permettent de mieux comprendre la propagation ultrasonore et d'estimer la sensibilité des mesures à des erreurs de positionnement de la tige et du capteur. De plus, des simulations numériques par différences finies dans le domaine temporel en 3D permettent de mieux comprendre l'interaction entre une onde ultrasonore et le tissu osseux en comparant les résultats expérimentaux et numériques. Ce travail prouve la faisabilité de cette approche de caractérisation ultrasonore pour estimer la qualité osseuse, ce qui ouvre la voie à de possibles études cliniques dans le futur. / Bone quality is an important parameter which should be taken into account during the different types of surgical procedures used in spine surgery. However, this parameter remains difficult to be determined in vivo, mostly due to difficulties of positioning different sensors around this anatomical site. The aim of this work is to develop an ultrasonic technique allowing to assess bone quality using the echographic response of a metallic rod inserted in bone tissue and used in spine surgery. Experimental works show the feasibility of the technique in vitro. A metallic rod similar to the one used in the operating room is inserted in trabecular bone samples perpendicularly to the transducer axis. The echographic responses of the rod immersed in water and in bone tissue are compared, which allows to determine the wave velocity in bone tissue, as well as the slope of the attenuation coefficient as a function of frequency (BUA, broadband ultrasonic attenuation). The results obtained for the 21 samples show i) a significant correlation between SOS and bone volume fraction (BV/TV, R² = 0.6, p < 0.001); and ii) a non linear variation of BUA as a function of BV/TV (R² = 0.22, p<0.001).Numerical simulation using 2D spectral finite element simulation allows to better understand wave propagation and to estimate the sensitivity of the measurements to positioning errors of the rod and of the sensor. Moreover, 3-D finite difference time domain simulation allows to better understand the interaction between an ultrasonic wave and bone tissue by comparing the experimental and numerical results. This work proves the feasibility of this ultrasonic characterization approach to estimate bone quality, which opens the way to future clinical studies.

Pre-publication drafts are reproduced with permission and copyright © 2013 of the Journal of Orthopaedic Trauma [Mutch J, Rouleau DM, Laflamme GY, Hagemeister N. Accurate Measurement of Greater Tuberosity Displacement without Computed Tomography: Validation of a method on Plain Radiography to guide Surgical Treatment. J Orthop Trauma. 2013 Nov 21: Epub ahead of print.] and copyright © 2014 of the British Editorial Society of Bone and Joint Surgery [Mutch JAJ, Laflamme GY, Hagemeister N, Cikes A, Rouleau DM. A new morphologic classification for greater tuberosity fractures of the proximal humerus: validation and clinical Implications. Bone Joint J 2014;96-B:In press.] / Les fractures isolées de la Grosse Tubérosité (GT) de l’humerus proximal sont rares et peu étudiées. Trois problèmes importants existent: 1: Même si 5mm + de déplacement supérieur du GT est cité comme indication chirurgicale, les mesures basées sur radiographie peuvent errer de plus que 10mm. 2: Les classifications de Neer et l’AO décrivent seulement un type de fracture de GT (gros fragment, ligne de fracture verticale). Deux autres types de fracture existent: type fracture-avulsion avec petit fragment osseux et type Hill-Sachs très latéral. 3: On manque d’études de pronostic ou de traitement des fractures de GT selon la morphologie. Article 1 montre et évalue une méthode simple de mesurer le déplacement supérieur de la GT (le GT ratio) sur les radiographies standard; ceci corrèle très bien avec tomographie (CT). Article 2 introduit une méthode de classification Morphologique des fractures de GT (Avulsion, Split, Dépression) qui a une fiabilité de bonne à excellente. Les données échographiques, radiologiques, et cliniques de 54 patients porteurs de fracture de GT (suivie moyenne 2.5 années) sont aussi incluses. Les patients <50 ans ont eu plus de déchirures de la coiffe et ceux avec fractures déplacées (≥ 5mm) avaient plus d’atrophie du susépineux. Les déchirures complètes de la coiffe et l’atrophie du susépineux augmentaient l’atteinte permanente. La morphologie des fractures de GT n’a pas eu un impact significatif sur le pronostic. Cependant, l’âge, le sexe, et le taux de luxation glénohumérale étaient différents selon le type de fracture et ceci pourrait refléter la pathophysiologie. Une évaluation plus précise de l’impact de la Morphologie des fractures de GT sur le pronostic et traitement nécessitera une étude prospective multicentrique. / Isolated fractures of the Greater Tuberosity (GT) of the proximal humerus are rare and a challenge to study. Three main problems arise: 1: Though 5mm+ superior GT displacement is often a surgical indication, measurement errors on radiographs may surpass 10mm. 2: The Neer and AO classifications describe only one type of GT fracture (large fragment, vertical fracture line). Two other fracture types have been described: an avulsion-type (small fragment), and a very lateral Hill-Sachs-type. 3: There are no studies on the treatment or prognosis of GT fractures according to fracture morphology. Article 1 introduces and tests a simple method to measure superior GT displacement (the GT ratio) using standard radiographs; this correlates very well with computed tomography (CT). Article 2 presents the Morphologic classification for GT fractures. It describes three fracture types (Avulsion, Split, Depression) and has good to excellent reliability. The ultrasonographic, radiologic, and clinical results of 54 patients (average follow-up 2.5 years) with isolated GT fractures are then described. Patients <50 years had higher rates of rotator cuff tears and displaced (≥ 5mm) GT fractures were associated with supraspinatus atrophy. Both full rotator cuff tears and supraspinatus atrophy resulted in poor outcomes. The impact of fracture morphology on prognosis was not significant. However, age, sex, and associated glenohumeral dislocation differed by fracture type and this may reflect their pathophysiology. A more thorough evaluation of the prognosis and treatment of GT fractures by morphologic type would require a prospective multicenter study.

Il ne fait aucun doute que le coût relativement faible des échographes, la procédure rapide et la capacité d’imager des tissus biologiques mous ont permis à l’échographie de devenir l’un des outils de diagnostic médical les plus courants. Malheureusement, l’imagerie ultrasonore présente encore des inconvénients par rapport à d’autres techniques d’imagerie médicale, principalement en termes de qualité d’image et de détails fournis. Dans le souci d’améliorer la qualité d’image, le prix à payer est généralement la baisse de la cadence d’acquisition. Ce compromis profondément enraciné entre la qualité d'image fournie et le temps d'acquisition est peut-être l'un des plus difficiles verrous de la recherche dans le domaine de l’échographie et son dépassement pourrait mener à des meilleures performances des applications existantes et même à des nouvelles utilisations de l’échographie. Ce travail de thèse porte sur l’amélioration du compromis précédemment indiqué entre la qualité d’image et la cadence d’acquisition. En combinant des concepts tels que l’imagerie par ondes planes, les systèmes à entrées multiples / sorties multiples et les problèmes inverses, ce travail vise à acquérir simultanément des images ultrasonores du tissu insonifié, ce qui permet d’augmenter la cadence d’acquisition sans réduire la qualité de l’image fournie. À travers cette étude, nous avons mis au point un modèle mathématique permettant de modéliser la propagation des ondes ultrasonores dans les tissus mous. Ce modèle a été utilisé pour passer en revue un grand nombre de schémas d’acquisition en échographie déjà existants et pour exposer leurs avantages et leurs inconvénients. Nous avons proposé de surmonter le compromis qualité / cadence d’acquisition d'images en utilisant des ondes ultrasonores codées temporellement émises simultanément, et le modèle direct généré a permis l'utilisation des différentes approches de problèmes inverses afin de reconstruire la réponse impulsionnelle pulse / écho du milieu insonifié et donc de son image. De plus, nous avons encore amélioré le modèle direct, ce qui nous a permis de relier directement les échos rétrodiffusés à la position / magnitude des diffuseurs à l'intérieur du milieu imagé. Les résultats fournies par les approches de problèmes inverses basées sur ce modèle amélioré nous ont mis devant une méthode de pointe qui non seulement améliorent d’un facteur conséquent la qualité de l'image en termes de résolution et de cohérence du speckle, mais permettent également d'améliorer la cadence d'acquisition d’images. / It is beyond doubt that the relative low cost of ultrasound scanners, the quick procedure and the ability to image soft biological tissues helped ultrasound imaging to become one of the most common medical diagnostic tools. Unfortunately, ultrasound still has some drawbacks when compared to other medical imaging techniques mainly in terms of the provided image quality and details. In the quest for an improved image quality, usually, the price to pay is the drop in the frame acquisition rate. This deep rooted trade-off between the provided image quality and the acquisition time is perhaps one of the most challenging in today’s ultrasound research and its overcoming could lead to diagnostic improvements in the already existing ultrasound applications and even pave the way towards novel uses of echography. This study addresses the previously stated trade-off. Through a mix of such concepts as plane wave imaging, multiple-input /multiple-output systems and inverse problems, this work aims at acquiring ultrasound images of the insonified tissue simultaneously, thus providing an increased frame rate while not degrading the image quality. Through this study we came up with a mathematical model that allows modelling the ultrasound wave propagation inside soft tissues. This model was used to review a great number of existing ultrasound acquisition schemes and to expose their advantages and drawbacks. We proposed to overcome the image quality / frame rate trade-off by using temporally encoded ultrasound waves emitted simultaneously, and the generated direct model enabled the use of different inverse problem approaches in order to reconstruct the pulse-echo impulse response of the insonified medium and thus its image. Moreover, we further improved the direct model, which allowed us to directly link the backscattered echoes to the position / magnitude of the scatterers inside the imaged medium. The results yielded by the inverse problem approaches based on the former model put us face to face with state of the art method that not only increase the image quality several times in terms resolution and speckle coherence but also provide a boost in frame acquisition rate.

Cette thèse précise les conditions pour introduire une sélection sur apparentés de caractères de qualité assistée par empreintes génétiques dans un programme de sélection massale sur la croissance chez la truite arc-enciel. Ce travail confirme l’intérêt à maîtriser l’effet maternel avec une doublement de l’héritabilité du poids à 70 g (0,36 vs 0,16), des estimations d’héritabilités des caractères mesurés de valeurs intermédiaires (0,37-0,54), l’intérêt d’utiliser la résiduelle des parties mesurées régressées linéairement au poids vif pour une sélection indépendante du poids pour les rendements, l’intérêt à remplacer la mesure du rendement au filetage par celle du rendement en carcasse éviscérée-étêtée plus héritable et très corrélé au rendement au filetage (0,97),la corrélation génétique élevée entre les rendements avec le ratio échographique e8/e23 (0,72-0,85) permettant une sélection sur candidats plus efficace qu’une sélection sur apparenté sur le rendement lui-même, des précisions élevées des valeurs génétiques (0.63–0.82) malgré très peu d’individus par famille (3,5-4) et une efficacité surestimée d’une sélection sur apparentés pré-sélectionnés (de 14 % à 62 %). Les conclusions sont qu’il est possible d’introduire une sélection sur apparentés dans un programme de sélection massale avec des gains génétiques au moins équivalents à ceux attendus en sélection familiale classique avec familles élevées initialement de façon séparées / The thesis aims at describing conditions to improve mass selection on growth by sib-selection on quality traits assisted by DNA parentage assignment in rainbow trout. Main results are that the control and management of differences in egg size between dams doubles heritability of body weight at 70 g (0.36 vs 0.16), heritabilities of quality traits are intermediates (0.37-0.54), the opportunity to use the residual of the body part (e.g. fillet weight) regressed to the whole body weight to select independently of body weight for ratios, the higher efficiency to replace fillet yield by deheaded and gutted carcass weight more heritable and highly genetically correlated to fillet yield (0.97), the possibility to use e8/e23ultrasound measures to predict genetically yields (0.72-0.85) allowing a direct selection on breeding candidates more efficient than in using sib information, a surprising intermediate to high accuracy of EBV even with a very low mean number of sib per full-sib family (3.5-4) and the medium to high overestimation of EBV when using pre- selected sibs (14 % to 62 %). The general conclusion are that sib-selection on quality traits can be introduced in mass selection with at least similar expected genetic gains than in traditional breeding design based on families reared initially separated

Après un traumatisme de la moelle épinière (TM), l’ischémieest un facteur d’aggravation des lésions. Cette ischémie peut être aggravée par l’augmentation depression du liquide cérébro-spinal (LCS) par le biais d’un effet tamponnade. Or chez l’homme,après un TM avec préservation de l’intégrité de la dure-mère, la pression de LCS augmentesignificativement. On suppose donc que le maintien d’une pression de LCS à des valeursphysiologique pourrait être une méthode de limitation de l’ischémie post-traumatique et doncd’amélioration du pronostic fonctionnel. Afin de pouvoir réaliser une étude expérimentale de cesphénomènes, nous avons consacré la première partie expérimentale de cette thèse à la mise au pointd’un modèle de TM à dure-mère intacte chez le rat permettant la mesure simultanée de la pressionde LCS et de la perfusion médullaire. Nous avons confirmé expérimentalement que la pression deLCS augmente après TM. Dans la seconde partie expérimentale, nous avons mis au point unetechnique expérimentale de quantification spatiale et temporelle de la perfusion médullaire grâce àl’échographie de contraste. Cette technique permettait aussi un suivi en temps réel de l’évolution dusaignement intra-parenchymateux induit par le TM. Dans la troisième partie expérimentale, nousavons utilisé notre modèle couplé avec l’échographie de contraste et le laser Doppler pour évaluerles effets de la noradrénaline injectée à la phase aigüe d’un TM sur la perfusion médullaire et lesaignement intra-parenchymateux. Nous avons montré que la noradrénaline augmentait trèslégèrement le flux sanguin superficiel mais pas le flux sanguin profond et qu’elle augmentait lataille du saignement. / After spinal cord injury (SCI), ischaemia aggravates lesions.Increase in cerebrospinal fluid (CSF) pressure can worsens ischaemia through a tamponnade effect.In humans, it has been shown that after SCI with intact dura mater, CSF pressure significantlyincreases. Therefore, preserving CSF pressure within a physiological range may limit post-traumaischaemia and improve neurological outcome. In order to experimentally study these phenomenon,we have dedicated the first part of that work to create a model of SCI in rats preserving dura’sintegrity and allowing simultaneous measurement of spinal cord blood flow (SCBF) and CSFpressure. We have confirmed that CSF pressure increases after SCI with intact dura. In the secondexperimental part, we have developed a technique allowing to perform spatial and temporalmeasurement of SCBF thanks to contrast enhanced ultrasonography (CEU). Moreover, thistechnique allows real-time measurement of the size of the parenchymal hemorrhage. In the thirdexperimental part, we have used our experimental model in association with CEU and LaserDoppler to assess the effects of early injection of norepinephrine on SCBF and parenchymalhemorrhage. We found that norepinephrine induces a slight increase in superficial SCBF while itdoesn’t modify deep SCBF and significantly increases the size of parenchymal hemorrhage.

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.