Les pathologies du côlon représentent un enjeu de santé important, en effet l'incidence du cancer colorectal en France le classe au deuxième rang des cancers les plus fréquents et sa mortalité au deuxième rang des cancers les plus mortels. Lors du bilan d'extension du cancer colorectal (CCR), l'IRM est désormais une modalité de choix pour les stades avancés du cancer colorectal. Cependant, malgré des avancées significatives, les capteurs externes multicanaux employés n'autorisent pas encore une résolution spatiale suffisante pour l'observation de la paroi colorectale. Dans cette optique, l'emploi d'un capteur endoluminal pour l'observation par IRM des premiers stades du CCR présente un intérêt. Ainsi, l'objectif de ces travaux de thèse est de proposer et de développer un capteur endoluminal rigide, adapté à l'observation de la partie terminale du tube digestif (rectum et éventuellement sigmoïde). Dans un premier temps, la géométrie de ce capteur endoluminal a été optimisée pour minimiser les non uniformités en sensibilité radiale. Ainsi, il a été montré que deux boucles de courant formant entre elles un angle compris entre 50° et 70° permettent une uniformité en sensibilité radiale optimale, ce qui peut potentiellement permettre une augmentation de la spécificité et de la sensibilité de l'examen IRM pratiqué avec un capteur endoluminal. De plus, la sécurité du capteur endoluminal vis-à-vis de l'échauffement radio fréquence (RF) a été étudié et, comme le montre la littérature, l'ajout de trappes RF permet de diminuer l'échauffement RF sous les limites telles qu'elles sont fixées par la norme IEC 60601 (c'est-à-dire 1°C d''élévation de température induit par la présence du capteur et du câble de réception). Des trappes RF de références, puis des trappes RF miniaturisées, adaptées à l'insertion du dispositif par voie rectale, ont ainsi été développées puis validées sur banc de test et sur l'imageur Discovery MR 750 3T (General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, US). Les conditions de l'expérience visaient à maximiser cet échauffement RF par un choix judicieux de la longueur du câble de réception, du chemin de ce câble de réception et de la séquence d'acquisition. Puis, la conception de ce capteur endoluminal a été optimisée pour permettre l'acquisition d'images de diffusion par IRM et de spectres de résonance magnétique, techniques qui présentent une sensibilité particulière aux inhomogénéités de champ magnétique B0 et donc à l'effet de susceptibilité magnétique induit par l'interface entre le capteur endoluminal et les tissus de la paroi colorectale. Ainsi, un capteur endoluminal utilisant un matériau de compensation de susceptibilité comme support a été développé et comparé à un capteur endoluminal de référence pour l'acquisition de spectres de résonance magnétique. Dans un dernier temps, le capteur a été modifié, pour pouvoir acquérir des spectres de résonance magnétique du proton mais également des spectres de résonance magnétique du phosphore, tout en conservant sa géométrie. Ce dernier développement a été validé par des mesures sur banc de test et ouvre la voie pour des expériences ultérieures sur fantômes et, à long terme, in vivo / The colorectal pathologies a major public health problem, indeed it is the second most lethal cancer and its incidence is second amongst all cancers. To performer the initial assessment of the colorectal cancer (CRC), Magnetic Resonance Imaging (MRI) is, at this moment in time, the gold standard for the assessment of the latest stages of CRC. However, despite significant progress, external phased array coils do not allow a sufficient spatial resolution for the observation of the colorectal wall. In this prospect, the use of an endoluminal coil for the MRI observation of the earliest stages of the CRC seems to present an interest. Thus, in the framework of this PhD, the aim was to propose and develop a rigid endoluminal coil suited for the observation of the terminal part of the digestive tract (rectum and sigmoid).First, the geometry of the endoluminal coil was optimized to minimize the non-uniformities in radial sensitivity. Thus, it was show that two current loops forming angulated with a 50° to 70° allow for optimal radial sensitivity uniformity. This could potentially allow for an increase in specificity and sensitivity of an endoluminal MR (Magnetic Resonance) exam. Furthermore, the safety of the endoluminal coil with respect to the radiofrequency (RF) heating was assessed. And, as demonstrated in the literature, the addition of RF traps allows for a reduction of the RF heating under the limits as determined by the IEC-60601 norm (below 1°C heating induced by the coil and reception cable presence). Reference RF traps and miniaturized RF traps, suited for the insertion through the rectum of the patient, were designed, built and assessed both on the benchmark and on the MR scanner DV MR 750 3T (General Electric Healthcare, Milwaukee, WI, US). The experiments were designed to maximize RF heating by an adequate choice of cable length, reception cable path, and acquisition sequence. Then, the design of the endoluminal coil was optimized to allow the acquisition of diffusion MRI images and magnetic resonance spectra, techniques which are particularly sensitive to the magnetic field (B0) inhomogeneities. Thus, the susceptibility effect occurring at the interface between the endoluminal coil and surrounding tissues of the rectal wall will deter significantly the performances of these techniques. A susceptibility matched endoluminal coil was thus developed, using UltemTM as a support for the coil, and was compared to a reference endoluminal coil for the acquisition of magnetic resonance spectra. Finally, the coil was modified in order to acquire both hydrogen magnetic resonance spectra and phosphorus magnetic resonance spectra, while keeping the same geometry. This last development was assessed on the bench and opens the way towards further experiments on phantom and, eventually, in vivo experiments

Cette thèse porte sur la conception et la validation expérimentale d’une architecture de téléopération avec retour d’effort pour la chirurgie endoluminale. Dans cette perspective, un robot chirurgical, à échelle mésoscopique, a été utilisé en tant que dispositif téléopéré. Ce robot, nommé SPRINT, a été développé dans le cadre du projet Européen ARAKNES (FP7, bourse no. 224565). L’objectif de ce projet, est d’insérer les degrés de liberté robotisés nécessaires aux manipulations chirurgicales à l’intérieur de la cavité péritonéale, ce qui permet d’apporter une assistance active durant la chirurgie laparoscopique à trocart unique. Pour répondre à cette problématique, plusieurs études ont été menées. Tout d’abord, une analyse détaillée du processus de conception des robots chirurgicaux a été réalisée, afin de garantir le transfert des technologies issues de la recherche vers le bloc opératoire. Puis, la mise en œuvre d’une architecture logicielle générique et temps réel a été décrite, servant de base au système actuel. Ce dernier est constitué d’un contrôleur adaptatif qui utilise un observateur d’état actif (AOB) ainsi qu’un modèle viscoélastique de tissus mous du type Kelvin- Boltzmann. Une telle association permet d’améliorer les performances du système de téléopération par rapport aux contributions précédentes qui utilisaient des modèles moins réalistes de tissus, tel que le modèle élastique. Dans ce contexte, deux schémas de téléopération de type “position-position” et “position-force” ont été proposés afin de répondre aux contraintes matérielles de la plateforme ARAKNES. La transparence et la stabilité, i.e. les deux paramètres qui permettent de quantifier les performances des systèmes téléopérés, des schémas proposés ont été étudiées. De plus, les effets d’une mise à l’échelle des positions qui sont commandées par le chirurgien, ainsi que des efforts ressentis par ce dernier, ont été examinés du point de la performance du système téléopéré. Enfin, la possibilité d’effectuer une commande sans-fil des robots chirurgicaux a été aussi abordée afin d’augmenter les libertés de mouvement des méso-robots et d’explorer les possibilités d’amélioration en termes de performance mécanique et de miniaturisation. / This dissertation deals with the design, implementation and experimental validation of a force-reflecting teleoperation architecture for robotic assisted endoluminal surgery. For this purpose, a meso-scale surgical robot was used as target device to be teleoperated. This robot, codenamed SPRINT, was developed during the ARAKNES European project (FP7, grant agreement no. 224565). The key idea of ARAKNES was to transfer the robot’s degrees of freedom required for surgery inside the peritoneal cavity, allowing to provide robotic assistance in single port laparoscopic surgery. In order to attain the objectives of this work, several studies were carried out : First, the specifics of surgical robotic design were investigated with the objective of guar- anteeing the technology transfer from research centers into the operating room. Second, a generic real-time software architecture for surgical robots was described, serving as support for the current implementation of the teleoperation control system. The latter system employs an adaptive controller which is based on an active state observer (AOB) and a viscoelastic Kelvin-Boltzmann soft-tissue environment model. This com- bination allows improving the performance with respect to previous works in the field that use less realistic soft-tissue environment models, such as the elastic model. In this context, two teleoperation schemes of types “position–position” and “position–force” were proposed in order to fulfill the hardware requirements of ARAKNES. Both schemes were analyzed in terms of their transparency and stability, i.e. the two parameters that allow quantifying the performance of teleoperated systems. Furthermore, the effects of scaling the po- sitions and the forces which are respectively commanded and felt by the surgeon, were examined regarding the surgeon’s performance, and also the system’s performance. Finally, the possibility of performing wireless control of surgical robots was also explored in order to increase the freedom of movement and, possibly, to improve the mechanical performance and/or miniaturization of the surgical robots that were employed.

Le développement de systèmes IRM à plus haut champ magnétique statique s'est accompagné d'une interrogation légitime concernant l'effet des champs électromagnétiques RF sur les patients. L'effet peut être renforcé par l'introduction d'éléments conducteurs à l'intérieur de la bobine RF comme c'est le cas pour les capteurs endoluminaux utilisés pour l'analyse des parois digestives. Ces capteurs entraînent des risques d'échauffements locaux élevés pour le patient en raison du TAS local induit par le champ électrique RF en présence d'un fil conducteur. Ces capteurs ayant le potentiel de présenter un bénéfice pour le patient, il est nécessaire de s'affranchir de ces limitations. Le premier objectif de la thèse est le développement d'un capteur endoluminal à liaisons optiques. Un dispositif de découplage actif optique a été développé et caractérisé. Les images RMN in vitro montrent une distribution du RSB comparable au découplage classique, validant ainsi l'efficacité du découplage optique. Concernant la transmission optique du signal RMN, des travaux ont été réalisés afin de s'affranchir des contraintes liées à l'utilisation d'un guide d'onde pour la conversion électro-optique par effet Pockels. Le capteur a été rendu plus compact. En revanche, l'importance de contrôler le TAS local dans des conditions expérimentales données demeure un besoin ne s'arrêtant pas à ceux des capteurs endoluminaux. Le second objectif est donc la validation expérimentale d'une sonde électro-optique pour la mesure du champ électrique RF durant un examen IRM. Cette sonde a permis d'effectuer des mesures du champ électrique dans l'air et dans différents milieux biologiques à 3 T et 4,7 T et estimer le TAS local / The recent advancement in MRI systems and the increase of the static magnetic field strength were accompanied by a strong concern about the effect of RF electromagnetic fields on patients. The effect can be increased by the use of conductive elements inside the volume coil as in the case of endoluminal coils used to analyze digestive walls. These coils lead to an increase of the local SAR which is induced by RF electric field in the presence of the coaxial cable connecting the coil to the MR system, resulting in strong local heating. Giving that these coils have the potential to present a real benefit to the patient, it worth to overcome these limitations. Accordingly, the first objective of the thesis is the development of a fully optical endoluminal receiver coil. An optical active detuning system has been developed and characterized. The NMR images show a signal-to-noise ratio distribution similar to that obtained with conventional detuning techniques, thus validating the efficiency of the optical detuning. Concerning the electro-optical conversion and the optical transmission of the NMR signal, experiments were performed to overcome constraints related to the use of waveguide for electro-optical conversion by Pockels effect. Moreover, the importance of monitoring global and local SAR during MRI exams remains a need which is not limited only to the endoluminal coils. The second objective of the thesis is then the experimental validation of an electro-optical probe for real-time measurements of RF electric field. This probe can measure the RF electric field in air and in biological media at 3 T and 4.7 T MRI systems and allows the estimation of the local SAR

Le diagnostic des pathologies du tube digestif pouvant favoriser la survenue du cancer colorectal(CCR) telle que les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) est un enjeu majeur de santé public. Un meilleur suivi du patient – impactant notamment le pronostic vital – et une meilleure compréhension de la physiopathologie de ces maladies reposent en partie sur l'émergence de nouvelles techniques diagnostiques. Dans ce contexte, ce manuscrit décrit les développements instrumentaux et méthodologiques combinant séquentiellement au sein d'un même protocole un examen par IRM endoluminale avec un examen associant l'endoscopie conventionnelle, la spectrophotométrie optique et l'endomicroscopie confocale. Les capteurs et procédures développés ont été caractérisés in vitro sur des modèles organiques puis évalués au cours de deux suivis longitudinaux sur un modèle de colite induite chimiquement chez le petit animal. Cette démarche s'inscrit dans les développements récents de techniques multimodales applicables chez des modèles animaux pour des études méthodologiques ou chez l'Homme. La première partie du manuscrit décrit un panorama de l'anatomie rectocolique ainsi que des MICI et du CCR. Les moyens diagnostics actuels utilisés de manière régulière en clinique sont également présentés. La seconde partie décrit précisément les développements instrumentaux et méthodologiques réalisés en IRM et en optique ainsi que les différentes études in vivo qui ont été menées afin d'évaluer le potentiel de la multimodalité IRM – optique. Enfin, la troisième partie de ce manuscrit présente et discute les résultats obtenus au cours de ces différentes études pour les différentes modalités. En conclusion, l'apport de nouveaux outils diagnostiques tels que présentés dans ce manuscrit permettant d'accroître la sensibilité de détection et de caractérisation des lésions tissulaires colorectales est démontré / The diagnosis of gut-inflammatory conditions such as inflammatory bowel disease (IBD), that may lead into colorectal cancer (CRC), is a major public health issue. The emergence of novel imaging-based diagnosis technics helps to improve patients’ following-up but also the growth mechanisms of such conditions. In this context, the present manuscript describes a protocol that includes sequentially endoluminal MRI examination with conventional endoscopy, optical spectroscopy and confocal endomicroscopy. The dedicated developed instrumentation has been first characterized on organic models and then evaluated in vivo on a mouse model of colitis during two longitudinal studies. This project aims to propose methodological developments offering new ways of investigating complex mechanisms on mouse models and that could be further transposed to Human. The first part of this manuscript describes an overview of the colon and rectum anatomy as well as the main characteristics of IBD and CRC. The diagnostic imaging tools that are mainly use in clinical environment for the detection, description and staging of colorectal abnormalities are then presented. The second part describes the development of endoluminal MRI with dedicated coils and the development of optical modalities. In order to assess the potential of the proposed protocol, the different in vivo studies carried out during this project are detailed. Finally, the last part of the document shows and discusses the results obtained for each and cross modalities in this context. In conclusion, bringing new ways of imaging gut diseases to increase the sensitivity of the diagnosis and enhance the morphological description of colorectal abnormalities was demonstrated

Ce travail porte sur le développement d’une nouvelle technique de diagnostic associant la résonance magnétique à haute résolution spatiale à la spectroscopie optique d’autofluorescence et de réflectance. La mise au point d’une telle sonde endoluminale bimodale s’inscrit dans les recherches de méthodes complémentaires ou alternatives à l’endoscopie conventionnelle pour le diagnostic précoce des pathologies du tube digestif. En effet le cancer colorectal représente aujourd’hui un enjeu majeur de santé publique avec plus de 1,2 millions de cas diagnostiqués dans le monde sachant que le taux de survie à 5 ans d’un patient est actuellement de 94% dans le cas de lésions détectées à un stade précoce (stade I) et seulement de 8% à un stade tardif (stade IV). Dans la première partie du manuscrit, nous abordons les différentes modalités d’imagerie et d’analyse spectrale en cours de développement ou d’évaluation, en mettant l’accent sur les principes physiques utilisés en RMN et spectroscopie optique. Dans une deuxième partie, nous détaillons la conception et la réalisation de prototypes de sondes endoluminales ainsi que les bancs optiques associés. Nous traitons également de la mise en oeuvre de dispositifs d’acquisition ainsi que des méthodes d’analyse de données au moyen de programmes informatiques dédiés. Dans une dernière partie, le système bimodal est caractérisé et validé lors d’études sur fantômes et une étude in vivo sur lapin. Les images obtenues par RM, fournissant l’information morphologique des échantillons ou du tissu, et les spectres optiques liés à leur composition sont corrélés / The main aim of this work is the development of a new diagnostic technique combining high spatial resolution MRI to autofluorescence and reflectance spectroscopy through the conception of a bimodal endoluminal probe. Such a technique falls within the framework of alternative innovative techniques to conventional colonoscopy that would allow better sensitivity to early stage digestive pathologies. Colorectal cancer is today a major health issue worldwide with more than 1.2 million cases diagnosed each year bearing the fact that the 5 year survival rate is 94% when precancerous lesions are diagnosed at an early stage (stage I) and only 8% when diagnosed at an advanced stage (stage IV). The promising imaging and spectral analysis techniques under investigation or undergoing clinical evaluation in different parts of the world are presented in the first chapter of this manuscript along with the basic physics involved in magnetic resonance imaging and optical spectroscopy. Chapter 2 gives a detailed description of the work carried out in devising and conceiving different endoluminal bimodal probe prototypes along with the dedicated optical test benches. Dedicated data processing and visualisation programmes developed are also presented within this chapter. The final chapter of this work deals with the different studies carried out in-vitro on different phantoms and in-vivo on a rabbit. Morphological information obtained through the MR images are also correlated to the biochemical information through the autofluorescence and reflectance spectra