Les techniques endovasculaires, particulièrement pour l’aorte, sont en plein essor en chirurgie vasculaire. Ces techniques mini-invasives permettent de diminuer l’agression chirurgicale habituellement importante lors de la chirurgie conventionnelle. Les limites techniques sont repoussées à certaines localisations de l’aorte qui étaient il y a encore peu de temps inaccessibles aux endoprothèses. Le succès et l’efficience de ces interventions reposent en partie sur l'élaboration et la mise en œuvre de nouveaux outils d'aide à la décision. Ce travail entend contribuer à l’amélioration des procédures interventionnelles aortiques grâce à une meilleure exploitation de l’imagerie pré et peropératoire. Cette démarche s’inscrit dans le cadre plus général des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur, dont les concepts sont revisités pour les transposer au domaine de la chirurgie endovasculaire. Trois axes sont développés afin de sécuriser et optimiser la pose d'endoprothèse. Le premier est focalisé sur l’analyse préopératoire du scanner (sizing) et montre les limites des outils de mesure actuels et évalue la précision d’un nouveau critère de mesure des longueurs de l’aorte (courbure externe). Le deuxième axe se positionne sur le versant peropératoire et montre la contribution de la réalité augmentée dans la pose d’une endoprothèse aortique. Le troisième axe s’intéresse au problème plus général des interventions sur les tissus mous et particulièrement aux déformations artérielles qui surviennent au cours des procédures interventionnelles qui mettent en défaut le recalage rigide lors de la fusion d’images. Nous présentons une approche originale basée sur un modèle numérique de prédiction des déformations qui utilise la simulation par éléments finis en y intégrant des paramètres géométriques et anatomo-mécaniques spécifique-patient extraits du scanner préopératoire. / The development of endovascular aortic procedures is growing. These mini-invasive techniques allow a reduction of surgical trauma, usually important in conventional open surgery. The technical limitations of endovascular repair are pushed to special aortic localizations which were in the past decade indication for open repair. Success and efficiency of such procedures are based on the development and the implementation of decision-making tools. This work aims to improve endovascular procedures thanks to a better utilization of pre and intraoperative imaging. This approach is in the line with the framework of computer-assisted surgery whose concepts are applied to vascular surgery. The optimization of endograft deployment is considered in three steps. The first part is dedicated to preoperative imaging analysis and shows the limits of the current sizing tools. The accuracy of a new measurement criterion is assessed (outer curvature length). The second part deals with intraoperative imaging and shows the contribution of augmented reality in endovascular aortic repair. In the last part, image guided surgery on soft tissues is addressed, especially the arterial deformations occurring during endovascular procedures which disprove rigid registration in fusion imaging. The use of finite element simulation to deal with this issue is presented. We report an original approach based on a predictive model of deformations using finite element simulation with geometrical and anatomo-mechanical patient specific parameters extracted from the preoperative CT-scan.

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INTRODUCTION Les anévrismes cérébraux représentent une condition potentiellement mortelle. Ils sont traités par voie chirurgicale (« clipping ») ou endovasculaire (dont le « coiling »), et plusieurs essais cliniques randomisés comparant ces traitements utilisent les résultats angiographiques comme mesure du succès du traitement. Le développement d'une classification standardisée et applicable aux deux traitements et aux trois modalités angiographiques (conventionnelle, angioscan et angio-IRM) est nécessaire. Nos objectifs furent de revoir systématiquement les classifications existantes, d’évaluer la fiabilité inter/intra-observateur d’une nouvelle classification angiographique commune, et d’en vérifier la pertinence clinique. MÉTHODES Deux revues systématiques furent effectuées dans 5 bases de données pour recenser les classifications (et leur fiabilité, lorsque rapportée) pour chaque traitement. Les résultats d’angiographie conventionnelle post-clipping (n=30) ou coiling (n=30) de 60 patients furent évalués de manière indépendante, à l’aide d’une nouvelle classification à 3 catégories, par 19 cliniciens ayant diverses pratiques et expériences. Les observateurs devaient également indiquer la prise en charge clinique appropriée pour chaque cas: un suivi espacé, étroit, ou un retraitement. Quinze lecteurs ont procédé à une 2e évaluation des cas (présentée selon un ordre permuté) à 1 mois d’écart. Le même travail fut reconduit, dans un deuxième temps, par 24 observateurs avec 60 cas évalués par angioscan (n=30) ou angio-IRM (n=30). Les accords inter/intra-observateurs furent estimés avec la statistique Alpha de Krippendorff (aK); la corrélation entre le choix de classe et la prise en charge fut calculée avec un test V de Cramer. RÉSULTATS Soixante-dix classifications (44 post-clipping, 26 post-coiling) furent recensées dans la littérature. La fiabilité variait de 0.12 à 1.00, avec une hétérogénéité significative en termes d’observateurs et de patients. L’accord inter-observateur pour la classification retenue était substantiel pour les résultats d’angiographie conventionnelle (aK=0.76; 0.67–0.83) et des autres modalités (aK=0.63; 0.55–0.70); peu importe le traitement, la spécialité ou l’expérience des évaluateurs. La classe est fortement corrélée à la prise en charge (V de Cramer de 0,77 à 0,80 selon la modalité angiographique; p<0,001). CONCLUSION La classification proposée est fiable et pertinente cliniquement. Elle servira d’outil valide pour évaluer les résultats angiographiques d’anévrismes dans les futurs essais cliniques comparant les deux traitements, peu importe la modalité d’imagerie utilisée. / INTRODUCTION Intracranial aneurysms are a medical condition associated with serious morbidity and mortality when ruptured. They are mainly treated with surgical clipping or endovascular coiling, and randomized clinical trials comparing both treatments often use angiographic results as a surrogate outcome of treatment success. The development of a standardized, reliable method to report angiographic results, applicable to both treatments using any angiographic modality (Conventional [CA], Computed tomography [CTA], or magnetic resonance [MRA] angiography) is needed. We sought to systematically review existing methods of classifying treated aneurysms and to assess the inter-/intra-rater reliability of a new angiographic grading scale, as well as its clinical relevance. METHODS We conducted two separate systematic reviews in 5 databases to collect post-clipping and post-coiling grading scales, along with their reliability when reported. The CA of 60 cases of clipped (n=30) and coiled (n=30) aneurysms were independently evaluated by 19 raters of various backgrounds and experiences using a new 3-grade scale. Raters were also asked how they would manage each case (delayed, close follow-up, or retreatment). Fifteen raters performed a 2nd evaluation of the same cases (in a permuted order) at least one month apart. The same methodology was used to study the reliability of the scale when 60 noninvasive angiography cases of clipped (30 CTA) or coiled (30 MRA) aneurysms were evaluated by 24 raters. Inter and intra-rater agreements were assessed using Krippendorff’s Alpha statistics (aK), and the relationship between occlusion grade and clinical management using Cramer’s V test. RESULTS The systematic reviews found 70 grading scales (44 post-clipping, 26 post-coiling) with significant heterogeneity in terms of reliability (kappa values from 0.12 to 1.00), raters, and patients. Overall inter-rater agreement for the grading scale was substantial for CA results (aK=0.76; 0.67–0.83) as well as for noninvasive results (aK=0.63; 0.55–0.70); regardless of background, experience, or treatment used. A strong relationship was found between angiographic grades and management decisions (V=0.80±0.12 for CA; V=0.77±0.14 for CTA/MRA [p<0.001]). CONCLUSION A standardized 3-grade scale was found to be a reliable and clinically meaningful tool to compare the results of clipping and coiling of aneurysms using any angiographic modality. It could be used as a valid tool to adjudicate results of comparative randomized trials, and to standardize the reporting of aneurysm treatments.

Ce travail de thèse est axé sur le domaine du traitement d'images biomédicales. L'objectif de notre étude est l'estimation des paramètres traduisant les propriétés mécaniques de l'artère carotide in vivo en imagerie échographique, dans une optique de détection précoce de la pathologie cardiovasculaire. L'analyse du mouvement longitudinal des tissus de la paroi artérielle, i.e. dans la même direction que le flux sanguin, représente la motivation majeure de ce travail. Les trois contributions principales proposées dans ce travail sont i) le développement d'un cadre méthodologique original et semi-automatique, dédié à la segmentation et à l'estimation du mouvement de la paroi artérielle dans des séquences in vivo d'images ultrasonores mode-B, ii) la description d'un protocole de génération d'une référence, faisant intervenir les opérations manuelles de plusieurs experts, dans le but de quantifier la précision des résultats de notre méthode malgré l'absence de vérité terrain inhérente à la modalité échographique, et iii) l'évaluation clinique de l'association entre les paramètres mécaniques et dynamiques de la paroi carotidienne et les facteurs de risque cardiovasculaire dans le cadre de la détection précoce de l'athérosclérose. Nous proposons une méthode semi-automatique, basée sur une approche conjointe de segmentation des contours de la paroi et d'estimation du mouvement des tissus. L'extraction de la position des interfaces est réalisée via une approche spécifique à la structure morphologique de la carotide, basée sur une stratégie de programmation dynamique exploitant un filtrage adapté. L'estimation du mouvement est réalisée via une méthode robuste de mise en correspondance de blocs (block matching), basée sur la connaissance du déplacement a priori ainsi que sur la mise à jour temporelle du bloc de référence par un filtre de Kalman spécifique. La précision de notre méthode, évaluée in vivo, correspond au même ordre de grandeur que celle résultant des opérations manuelles réalisées par des experts, et reste sensiblement meilleure que celle obtenue avec deux autres méthodes traditionnelles (i.e. une implémentation classique de la technique de block matching et le logiciel commercial Velocity Vector Imaging). Nous présentons également quatre études cliniques réalisées en milieu hospitalier, où nous évaluons l'association entre le mouvement longitudinal et les facteurs de risque cardiovasculaire. Nous suggérons que le mouvement longitudinal, qui représente un marqueur de risque émergent et encore peu étudié, constitue un indice pertinent et complémentaire aux marqueurs traditionnels dans la caractérisation de la physiopathologie artérielle, reflète le niveau de risque cardiovasculaire global, et pourrait être bien adapté à la détection précoce de l'athérosclérose. / This thesis is focused on the domain of bio-medical image processing. The aim of our study is to assess in vivo the parameters traducing the mechanical properties of the carotid artery in ultrasound imaging, for early detection of cardiovascular diseases. The analysis of the longitudinal motion of the arterial wall tissues, i.e. in the same direction as the blood flow, represents the principal motivation of this work. The three main contributions proposed in this work are i) the development of an original and semi-automatic methodological framework, dedicated to the segmentation and motion estimation of the arterial wall in in vivo ultrasound B-mode image sequences, ii) the description of a protocol aiming to generate a reference, involving the manual tracings of several experts, in the objective to quantify the accuracy of the results of our method despite the absence of ground truth inherent to ultrasound imaging, and iii) the clinical evaluation of the association between the mechanical and dynamical parameters of the arterial wall and the cardiovascular risk factors, for early detection of atherosclerosis. We propose a semi-automatic method, based on a combined approach of wall segmentation and tissues motion estimation. The extraction on the interfaces position is realized via an approach specific to the morphological structure of the carotid artery, based on a strategy of dynamic programming using a matched filter. The motion estimation is performed via a robust block matching method, based on the a priori knowledge of the displacement as well as the temporal update of the reference block with a specific Kalman filter. The accuracy of our method, evaluated in vivo, corresponds to the same order of magnitude as the one resulting from the manual operations performed by experts, and is significantly higher than the one obtained from two other classical methods (i.e. a classical implementation of the block matching technique, and the VVI commercial software). We also present four clinical studies, and we evaluate the association between longitudinal motion and cardiovascular risk factors. We suggest that the longitudinal motion, which represents an emerging cardiovascular risk marker that has been only few studied yet, constitutes a pertinent and complementary marker aiming at the characterization of arterial physio-pathology, traduces the overall cardiovascular risk level, and could be well suited to the early detection of the atherosclerosis.