Ce travail a été mené dans un contexte de collaboration étroite entre le Centre de Protonthérapie d’Orsay de l’Institut Curie (ICPO), Dosisoft et le laboratoire Creatis afin de mettre en place un nouveau modèle de calcul de dose pour la nouvelle salle de traitement de l’ICPO. Le projet de rénovation et d’agrandissement de ce dernier a permis l’installation d’un nouvel accélérateur ainsi que d’une nouvelle salle de traitement équipée d’un bras isocentrique de la société IBA, dans le but de diversifier les localisations des cancers traités à l’ICPO. Le premier objectif de cette thèse est de développer un ensemble de méthodologies et de nouveaux algorithmes liés au calcul de dose pour les adapter aux caractéristiques spécifiques des faisceaux délivrés par la nouvelle machine IBA, avec comme finalité de les inclure dans le logiciel Isogray de DOSIsoft. Dans un premier temps, la technique de la double diffusion est abordée en tenant compte des différences avec le système passif des lignes fixes de l’ICPO. Dans un deuxième temps, une modélisation est envisagée pour les modalités de faisceaux balayés. Le deuxième objectif est d’améliorer les modèles de calcul de dose Ray-Tracing et Pencil-Beam existants. En effet, le collimateur personnalisé du patient en fin de banc de mise en forme du faisceau pour les techniques de double diffusion et de balayage uniforme provoque une contamination de la dose délivrée au patient. Une méthodologie de réduction de cet effet a été mise en place pour le système passif de délivrance du faisceau, ainsi qu’un modèle analytique décrivant la fonction de contamination, dont les paramètres ont été validés grâce à des simulations Monte Carlo sur la plateforme GATE. Il est aussi possible d’appliquer ces méthodes aux systèmes actifs. / This work was achieved in collaboration between the Institut Curie Protontherapy Center of Orsay (ICPO), the DOSIsoft company and the CREATIS laboratory, in order to develop a new dose calculation model for the new ICPO treatment room. A new accelerator and gantry room from the IBA company were installed during the up-grade project of the protontherapy center, with the intention of enlarging the cancer localizations treated at ICPO. Developing a package of methods and new dose calculation algorithms to adapt them to the new specific characteristics of the delivered beams by the IBA system is the first goal of this PhD work. They all aim to be implemented in the DOSIsoft treatment planning software, Isogray. First, the double scattering technique is treated in taking into account major differences between the IBA system and the ICPO fixed beam lines passive system. Secondly, a model is explored for the scanned beams modality. The second objective of this work is improving the Ray-Tracing and Pencil-Beam dose calculation models already in use. For the double scattering and uniform scanning techniques, the patient personalized collimator at the end of the beam line causes indeed a patient dose distribution contamination. A reduction method of that phenomenon was set up for the passive beam system. An analytical model was developed which describes the contamination function with parameters validated through Monte-Carlo simulations on the GATE platform. It allows us to apply those methods to active scanned beams.

-------------------------------Abstract--------------------------------Since the prediction by Maria Göppert-Mayer in the thirties of the possibility for a fluorescent molecule to be simultaneously excited by multiple photons and, more recently, the development of pulsed lasers, multiphoton microscopy has gradually evolved to finally become one of the most used fluorescent imaging techniques for the studies of thick scattering tissues or for in vivo observations of animals. Either for neurological, physiological or morphological studies, the non invasiveness and the limitation of the excited volume to the focal volume have made this fluorescence microscopy technique an essential tool for biologists.However, in a world where the biological studies always require better microscopes and where there is always a need for the spatial resolution to be improved, it is essential to offer techniques allowing to obtain a better resolution in the three dimensions and to access resolution beyond the diffraction limit defined by Ernst Abbe more than a century ago. In this thesis, the saturated excitation of fluorescence technique is adapted to multiphoton microscopy. This method achieves super-resolved images by temporally modulating the excitation laser-intensity and by demodulating the higher harmonics from the saturated fluorescence signal. As a proof of principle, the improvement of the lateral and axial resolution has been measured on a sample of fluorescent microspheres. While the third harmonic already provides an enhanced resolution, we show in this work that a further improvement can be obtained with an appropriate linear combination of the demodulated harmonics.In the end, a near twofold improvement of the resolution has been obtained in the lateral but also in the axial directions. This improvement is in agreement with the estimated resolution improvement predicted in the theoretical and the mathematical analysis of the technique carried out in this work.We also present in vitro imaging of fluorescent microspheres incorporated in HeLa cells. Enhancements of lateral and axial resolution has been observed, showing that this super-resolution technique performs well in biological samples.Finally, the strengths and weaknesses of the technique have also been analysed and detailed to see in which niche in the world of biological imaging this method can find its place. To this end, its characteristics are compared to other super-resolution and super-localisation techniques that have been previously studied in this thesis.It points out that the imaging depth, the non invasiveness and the relatively low illumination power on the samples but also the limitation of the excited volume in multiphoton microscope coupled with the simple and cost-effective implementation as well as the relatively low illumination power on the sample used in the saturated excitation technique make this method an excellent candidate for deep in vivo studies trough scattering tissue like the skin. / -----------------------Résumé-----------------------Depuis la prédiction de Maria Göppert-Mayer dans les années 30 de la possibilité pour une molécule fluorescente d'être excitée simultanément par plusieurs photons et, plus récemment, depuis le développement des lasers pulsés, la microscopie multiphotonique s'est peu à peu développée pour finalement s'imposer aujourd'hui comme un des outils d'observation par fluorescence les plus performants pour les études de tissus épais diffusants, ou encore pour l'observation in vivo d'animaux. Que ce soit pour des études neurologiques, physiologiques ou morphologiques, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité au volume focal ont rendu cet outil de microscopie indispensable aux biologistes.Cependant, dans un monde où les études biologiques nécessitent toujours de meilleurs microscopes et où la résolution spatiale en particulier doit toujours être améliorée, il convient de proposer des techniques permettant d'obtenir une meilleure résolution dans les trois dimensions et d'aller au-delà de la limite de diffraction définie par Ernst Abbe il y a plus d'un siècle.Dans cette thèse, la technique de saturation de l'excitation de la fluorescence est adaptée à la microscopie multiphotonique. Cette méthode permet d'obtenir des images de superrésolution en modulant temporellement l'intensité laser d'excitation et en démodulant les harmoniques supérieures présentes dans le signal saturé de fluorescence. La démonstration de principe sur des microsphères fluorescentes a été réalisée montrant une amélioration de la résolution latérale et axiale. Alors que l'utilisation de la troisième harmonique produit déjà une meilleure résolution, ce travail de thèse montre qu'une amélioration supplémentaire peut être obtenue en utilisant une combinaison linéaire particulière des harmoniques démodulées.Au final, un quasi doublement de la résolution a pu être observé tant dans les directions latérales que dans la direction axiale. Cette amélioration correspond à l'amélioration prédite dans l'analyse théorique et mathématique réalisée également dans ce travail.De plus, le passage aux études in vitro a été réalisé avec succès en observant des microsphères fluorescentes incorporées dans des cellules HeLa. Des améliorations de la résolution latérale et axiale ont également été observées montrant que cette technique de superrésolution peut être appliquée à l'étude d'échantillons biologiques. Les forces et les faiblesses de cette méthode sont également analysées et détaillées afin de voir dans quel créneau d'études biologiques la technique de saturation de l'excitation de fluorescence pourrait se faire une place. A cette fin, ses caractéristiques sont comparées aux autres méthodes de superrésolution et de superlocalisation détaillées dans la première partie de ce travail.Il en resort que l'importante profondeur d'imagerie, l'aspect non invasif et la limitation du volume excité de la microscopie multiphotonique couplés à la simplicité d'implémentation et les relativement faibles puissances utilisées pour saturer l'excitation font de cette technique un excellent candidat pour des études in vivo dans des zones en profondeur dans des milieux diffusants comme la peau. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ancrée dans une pratique personnelle de la gravure s’associant à la photographie, la vidéo et l’installation, cette thèse en arts plastiques explore l’hybridation entre arts et sciences. Elle commence par une recherche des spécificités de la gravure pour construire un point de vue singulier sur les œuvres d’artistes travaillant entre arts et sciences quels que soient leurs médiums. La première partie questionne l’hybridation de la gravure et du numérique comme voie d’accès à la contemporanéité définie par Giorgio Agamben comme «en déphasage» avec son temps. Dans une deuxième partie, l’imagerie médicale et la photographie questionnent l’altérité animale. La recherche se poursuit par l’analyse d’œuvres de Nagi Noda, Wanda Wulz et Xavier Lucchesi qui amènent la question de la référence aux mythes dans le travail personnel. Enfin dans une troisième partie, la recherche théorique et le travail plastique achèvent leur hybridation. Les mythes de Méduse, Orphée ou Épiméthée deviennent le point de départ de créations entre arts et sciences où le processus de la gravure actualise les mythes par l’empreinte qu’elle laisse dans les photographies, les vidéos ou les installations qui mettent en scène des images médicales. Notre thèse est que la gravure constitue, à l’image des archées – organismes récemment découverts par les biologistes – une pratique vivante qui se retrouve là où on ne l’attend pas. L’hybridation dans notre pratique artistique rapproche les archées de l’archè, qui signifie proche de l’origine. / Rooted in my personal practice of engraving combined with photography, video and installation art, this plastic arts thesis explores the hybridisation of arts and science; starting with research into the specificities of engraving to then construct a singular point of view on the works of artists whose practice falls between arts and science, whatever the medium. The first part questions the hybridisation of engraving and digital techniques as an access route to a contemporaneity described by Giogio Agamben as “out of phase” with its time. In the second part, medical imagery and photography question animal alterity. Then the research will be furthered through the analysis of works by Nagi Noda, Wanda Wulz, and Xavier Lucchesi which bring us to the matter of references to myths in personal work. Lastly, in a third part, theoretical research and physical art practice complete their hybridisations. The myths of Medusa, Orpheus and Epimetheus become the starting point of works between art and science where the process of engraving actualises the myths by the imprints it leaves in photographs, videos or installations which show medical imagery. Our thesis is that engraving is, like the archaea – recently discovered microorganisms –, a living practise that can sometimes be found where one least expects it. The hybridisation of our practise bring archaea closer to the arche, and thus closer to the origin.

L’imagerie de fluorescence est une technique d’imagerie médicale permettant de visualiser l’émission d’un traceur, ou fluorophore, à l’aide d’une excitation de type Laser ou LED. Les domaines d’application de la technologie sont la chirurgie oncologique, la chirurgie reconstructive ou encore la chirurgie cardiaque. Bien que les besoins en chirurgie ouverte soient importants, l’évolution des pratiques tend à démocratiser la chirurgie dite minimalement invasive. La chirurgie endoscopique va dans ce sens, le but étant de limiter les traumatismes opératoires rencontrés en chirurgie ouverte. Parmi les avantages de cette techniques on note une diminution des saignements et de la douleur, ou encore une réduction de la durée d’hospitalisation.Lors d’une intervention de type chirurgie ouverte, le praticien peur se contenter de la seuls information de fluorescence fournie par le système d’imagerie. Cependant, tout l’enjeu de l’imagerie de fluorescence pour la chirurgie mini-invasive est de venir greffer ne information relative au fluorophore sur une image couleur de très bonne qualité, essentielle au chirurgien. Pour une première évaluation, un système deux caméras a été réalisé. Un capteur est dédié à l’acquisition de l’image couleur et un autre à l’information de fluorescence. Cependant, notamment pour conserver pour conserver un système compact et proposer la meilleure ergonomie possible au chirurgien, l’endoscope final ne devra comporter qu’un seul imageur. Le principe de base est d’utiliser des impulsions de lumière d’excitation et de lumière blanche afin de séquentiellement acquérir les données de fluorescence et les images couleur. Il convient ensuite de traiter les informations recueillies pour reconstruire l’image désirée en temps réel. / Fluorescence image-guided surgery is a medical imaging modality which allows the surgeon to visualize a fluorescent probe previously injected to the patient. The probe could be specific or not and the technology is useful in a wide range of application from oncologic procedures to reconstructive surgeries or cardiac procedures. Despite the important needs of this technology in open-procedures, the surgery in general is more and more minimally invasive. The goal of mini-invasive surgery is to limit patient's per and post operation trauma. The advantages of the technique are a decrease of bleeding and pain and a decreasing hospitalization time.During an open surgery, the B&W fluorescence information given by the fluorescence image-guided surgery system is enough for the surgeon. For mini-invasive procedures, the in-game is to overlay the fluorescence information to high quality color image, compulsory for the surgeon to perform his procedure. As a first evaluation, a 2-sensors system has been rapidly developed. One sensor is dedicated to the acquisition of the color image and the other to the fluorescence information. In order to make the system more compact and improve the quality of the color image furnished to the surgeon, the final system should be composed of only one sensor. To create the color image and collect the fluorescence information with one sensor, the technique involved pulsed white light and excitation light in a sequential acquisition mode. The two information are combined and a real-time color plus fluorescence video is displayed to the surgeon.

La fibrillation atriale affecte 2-3% des européens et nord-américains, les tachycardies ventriculaires sont liées à un risque important de mort subite. Les approches minimalement invasives comme l’Ablation par Cathéter Radiofréquence (RFCA) ont révolutionné le traitement de ces maladies, mais le taux de réussite de la RFCA est limité par le manque de techniques d’imagerie pour contrôler cette ablation thermique.Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles approches ultrasonores pour des traitements cardiaques minimalement invasifs guidés par échographie.Pour cela nous avons d’abord validé la précision et la viabilité clinique de l’Élastographie par Ondes de Cisaillement (SWE) en tant que modalité d’imagerie quantitative et temps réel pour l’ablation thermique in vivo. Ensuite nous avons implémenté la SWE sur un transducteur intracardiaque et validé la faisabilité d’évaluer l’ablation thermique in vitro et in vivo sur cœur battant de gros animal. Puis nous avons développé un transducteur intracardiaque dual-mode pour effectuer l’ablation et l’imagerie ultrasonores avec les mêmes éléments, sur le même dispositif. Les lésions thermiques induites par Ultrasons Focalisés de Haute Intensité (HIFU) et contrôlées par la SWE ont été réalisées avec succès in vivo dans les oreillettes et les ventricules chez le gros animal. Finalement la SWE a été implémentée sur un dispositif d’imagerie et thérapie ultrasonores transœsophagien et la faisabilité de cette approche a été démontrée in vitro et in vivo. Ces approches originales pourraient conduire à de nouveaux dispositifs cliniques pour des traitements plus sûrs et contrôlés d’un large éventail d’arythmies et maladies cardiaques. / Atrial fibrillation (AF) affects 2-3% of the European and North-American population, whereas ventricular tachyarrhythmia (VT) is related to an important risk of sudden death. AF and VT originate from dysfunctional electrical activity in cardiac tissues. Minimally-invasive approaches such as Radio-Frequency Catheter Ablation (RFCA) have revolutionized the treatment of these diseases; however the success rate of RFCA is currently limited by the lack of monitoring techniques to precisely control the extent of thermally ablated tissue.The aim of this thesis is to propose novel ultrasound-based approaches for minimally invasive cardiac ablation under guidance of ultrasound imaging. For this, first, we validated the accuracy and clinical viability of Shear-Wave Elastography (SWE) as a real-time quantitative imaging modality for thermal ablation monitoring in vivo. Second we implemented SWE on an intracardiac transducer and validated the feasibility of evaluating thermal ablation in vitro and in vivo on beating hearts of a large animal model. Third, a dual-mode intracardiac transducer was developed to perform both ultrasound therapy and imaging with the same elements, on the same device. SWE-controlled High-Intensity-Focused-Ultrasound thermal lesions were successfully performed in vivo in the atria and the ventricles of a large animal model. At last, SWE was implemented on a transesophageal ultrasound imaging and therapy device and the feasibility of transesophageal approach was demonstrated in vitro and in vivo. These novel approaches may lead to new clinical devices for a safer and controlled treatment of a wide variety of cardiac arrhythmias and diseases.

Le présent manuscrit traite de l'élaboration de nanoparticules (NPs) monométalliques de Bismuth et de Fer ainsi que de l'association de ces deux éléments en NPs bimétalliques. Le choix de ces deux métaux est motivé par deux domaines d'applications, l'Energie et le Biomédical. Dans le but d'étudier les propriétés physiques d'une assemblée de nano-objets de Bismuth, le premier chapitre de ce manuscrit porte sur l'élaboration de NPs de diamètre inférieur à 10 nm. Deux voies de synthèse sont développées, mettant en jeu la réduction d'un complexe de Bismuth à température ambiante via un réducteur fort, le radical anion du naphtalène & à haute température via un réducteur doux, l'hexadecylamine. Les mécanismes réactionnels impliqués dans la formation des NPs de Bismuth ainsi que leur chimie de surface sont étudiés par spectroscopie Infra-Rouge (IR), Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), Diffusion des Rayons X aux grands angles (WAXS) & Absorption des Rayons X (XAS). Les propriétés physiques des NPs sont appréhendées par l'étude de leurs propriétés de transport électronique et de leurs propriétés d'atténuation des rayons X. Le deuxième Chapitre est consacré à la synthèse de NPs de Fer dans les mêmes conditions de réduction. Le comportement magnétique des NPs obtenues, de taille inférieure à 2 nm et de structure polytétraédrique, est décrit. Finalement, une étude modèle, portant sur le transfert dans l'eau de NPs de Fer de 13 nm de diamètre et sur l'étude de leurs propriétés de relaxivité y est rapportée. Le dernier chapitre ouvre vers le développement d'agents de contraste bimodaux, notamment des sondes alliant les propriétés magnétiques du Fer pour l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) et la forte Atténuation des Rayons X du Bismuth pour l'imagerie par Rayons X. Une méthode de synthèse de NPs cœur-coquille de Bi@Fe de 25 nm est décrite. Des études de spectroscopie RMN, WAXS, HRTEM & Spectroscopie Mössbauer permettent une approche du mécanisme complexe de cette réaction. De premiers tests qualitatifs en IRM & Atténuation des rayons X ouvrent de belles perspectives pour ce type de sondes bifonctionnelles dans le domaine médical. / This manuscript reports the design of Bismuth & Iron monometallic nanoparticles (NPs) and their combination in bimetallic NPs. The choice of these metals is motivated by potential applications in Energy & Biomedical fields. In order to study the physical properties of an assembly of Bismuth NPs, the first chapter of this thesis is focused on the synthesis of Bismuth NPs below 10 nm size-diameter. A Bismuth complex is reduced by a strong reducing agent, the naphthalenide radical anion, at low temperature or by a soft reducing agent at high temperature, an alkylamine. Infra-Red spectroscopy (IR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Wide Angle X-ray Scattering (WAXS) & X-Ray Absorption (XAS) are used to understand the mechanisms of the reaction & the surface chemistry of the Bismuth NPs. The second chapter is devoted to the synthesis of Iron NPs by the same reduction methods. The magnetic properties of the NPs obtained, with sizes below 2 nm and polytetrahedral structure, are described. A model study based on the transfer into water of 13 nm large Iron NPs is described, and their relaxometric properties are reported. The last chapter opens the way to multimodal contrast agents, combining the magnetic properties of Iron for Magnetic Resonance Imaging (MRI) & X-Ray Absorption properties of Bismuth for X-Ray imaging. A synthesis method affording 25nm size-diameter core-shell Bi@Fe NPs is developed. The mechanism of the reaction followed by NMR, TEM, WAXS & Mössbauer spectroscopy reveals the multiple steps of the formation of the NPs. First qualitative MRI & X-Ray attenuation tests open interesting perspectives for such bimodal probes in nanomedicine.

Les travaux décrits dans cette thèse sont centrés sur la caractérisation et l’optimisation d’une camera Compton à phase unique au xénon liquide pour des applications médicales. Le détecteur a été conçu pour exploiter les avantages d’une technique d’imagerie médicale innovante appelée l’imagerie 3γ. Elle vise à l’obtention de la position en 3D d’une source radioactive avec une très haute sensibilité et une réduction importante de la dose administrée au patient. L’imagerie 3γ est basée sur la détection en coïncidence de 3 photons gamma émis par un émetteur spécifique (+β, γ), le 44Sc. Un premier prototype de camera Compton au xénon liquide a été développé par le laboratoire Subatech à travers le projet XEMIS (Xenon Medical Imaging System), pour démontrer la faisabilité de l’imagerie 3γ. Ce nouveau système de détection comporte un système de cryogénie avancé et une électronique front-end à très faible bruit qui fonctionne à la température du xénon liquide. Ce travail a contribué à la caractérisation de la réponse du détecteur et à l’optimisation de la mesure du signal d’ionisation. L'influence de la grille de Frisch sur le signal mesuré a été particulièrement étudiée. Les premières preuves de la reconstruction Compton en utilisant une source de ²²Na (β+, Eγ = 1.274 MeV) sont aussi rapportées dans cette thèse et valident la preuve de concept de la faisabilité de l’imagerie 3γ. Les résultats présentés dans cette thèse ont joué un rôle essentiel dans le développement d’une camera Compton au xénon liquide de grandes dimensions pour l’imagerie des petits animaux. Ce nouveau détecteur, appelée XEMIS2, est maintenant en phase de construction. / The work described in this thesis is focused on the characterization and optimization of a single-phaseliquid xenon Compton camera for medical imaging applications. The detector has been conceived to exploit the advantages of an innovative medical imaging technique called 3γ imaging, which aims to obtain aprecise 3D location of a radioactive source with high sensitivity and an important reduction of the dose administered to the patient. The 3γ imaging technique is based on the detection in coincidence of 3gamma rays emitted by a specific (+β, γ) emitter radionuclide,the 44Sc. A first prototype of a liquid xenon Compton camera has been developed by Subatech laboratory within the XEMIS (Xenon Medical Imaging System) project, to proof the feasibility of the 3γ imaging technique. This new detection framework is based on an advanced cryogenic system and an ultra-low noise front-end electronics operating at liquid xenon temperature. This work has contributed to the characterization of the detector response and the optimization of the ionization signal extraction. A particular interest has been given to the influence of the Frisch grid on the measured signals. First experimental evidences of the Compton cone reconstruction using asource of ²²Na (β+, Eγ = 1.274 MeV) are also reported in this thesis, which demonstrate the proof of concept of the feasibility of the 3γ imaging. The results reported in this thesis have been essential for the development of a larger scale liquid xenon Compton camera for small animal imaging. This new detector, called XEMIS2, is now in phase of construction.

La cardiopathie rhumatismale (CR) demeure la première cause de cardiopathie acquise chez les enfants et les jeunes adultes à travers le Monde. L'essor de l'échographie cardiaque comme outils de dépistage dans les zones endémiques pose de nouvelles questions. Trois études indépendantes ont été menées en Nouvelle Calédonie dans le cadre de la thèse de 2011 à 2013: " L'étude de cohorte rétrospective en population a évalué une campagne de dépistage national de la CR par échocardiographie visant à inclure tous les enfants scolarisés en classe de CM1 sur l'île de 2008 à 2011. Les méthodes diagnostiques complexes utilisées en recherche ne peuvent être transposées en campagnes de dépistage écho-guidées à l'échelle nationale en raison du nombre élevé d'enfants (~25%) sans diagnostic final. Le pronostic de la CR asymptomatique dépistée par échographie est bénin à moyen terme, quoique les lésions échographiques persistent dans la majorité des cas. Environ 13% des enfants initialement sains présentent des anomalies échocardiographiques à 2 ans de suivi. " Une étude prospective en population a exploré des méthodes simplifiées de dépistage à l'aide de l'échoscopie cardiaque avec des appareils de poche par du personnel paramédical. La sensibilité et la spécificité de cette approche permet de dépister ~80% des cas, avec une sensibilité de ~90% dans le cadre de CR certaine, seul cas de figure où un traitement est nécessaire. " Une cohorte hospitalière contemporaine de patients admis à l'unique centre du pays a permis d'apporter des données épidémiologiques de la CR symptomatique, et d'identifier les facteurs associés à la survenue d'événements cardiovasculaires. Le diagnostic y est encore souvent porté à un stade tardif, révélé par des complications (~25%). Le taux de survie à 8 ans de la CR symptomatique sans complication initiale est élevé (~98%) mais l’incidence annuelle d’événements atteint 59‰ (95% CI 44.35-73.75). La sévérité de la CR au diagnostic (CR moyenne versus modérée HR 3.39 (0.95 – 12.12); CR sévère versus modérée HR 10.81 (3.11 – 37.62), p<0.001) et l’antibioprophylaxie (HR 0.27 (0.12-0.63), p=0.01) sont les deux facteurs associés à la survenue d’événements cardiovasculaires. / Rheumatic heart disease (RHD) remains the leading acquired heart disease in the young worldwide. The advent of echocardiography as a screening tool has raised new questions in the field. This thesis incorporated three studies to explore critical questions regarding the burden of asymptomatic and symptomatic RHD in New Caledonia (2011-2013): Retrospective population-based cohort study assessing the first nationwide echo-screening campaign targeting all children in 4th grade (2008-2011). Methods derived from research may not be applicable as a healthcare policy given the lack of completeness (~25%). Outcomes of children with asymptomatic RHD detected by echocardiography are benign although the majority of valve lesions persist with little clinical implications. RHD being a dynamic condition, 13% of children at high risk of RHD with normal baseline echocardiograms may present with mild echocardiographic lesions at 2 years follow-up. Prospective population-based study assessing sensitivity and specificity to detect asymptomatic RHD of a focused cardiac ultrasound (FCU) compared to echocardiography. FCU includes nurses after a short training scheme using pocket-echocardiographic machines and simplified criteria. Sensitivity and specificity for RHD detection was of ~80% and performed better (sensitivity ~90%) when restricted to definite RHD in which case treatment is recommended. Retrospective hospital-based cohort of patients admitted with symptomatic RHD. RHD remains prevalent and incident. Diagnosis if often made at an advanced stage (~25%). In patients with uncomplicated RHD, the survival rate was ~96% at 8 years with however an annual incidence of 59.05‰ (95% CI 44.35-73.75) major cardiovascular events. The severity of RHD at diagnosis (moderate vs. mild HR 3.39 (0.95 – 12.12); severe vs. mild RHD HR 10.81 (3.11 – 37.62), p<0.001), and ongoing secondary prophylaxis at follow-up (HR 0.27 (0.12-0.63), p=0.01) were the two most influential factors associated with major cardiovascular events.

Ces dernières années, l'apprentissage profond a complètement changé le domaine de vision par ordinateur. Plus rapide, donnant de meilleurs résultats, et nécessitant une expertise moindre pour être utilisé que les méthodes classiques de vision par ordinateur, l'apprentissage profond est devenu omniprésent dans tous les problèmes d'imagerie, y compris l'imagerie médicale.Au début de cette thèse, la construction de réseaux de neurones adaptés à des tâches spécifiques ne bénéficiait pas encore de suffisamment d'outils ni d'une compréhension approfondie. Afin de trouver automatiquement des réseaux de neurones adaptés à des tâches spécifiques, nous avons ainsi apporté des contributions à l’optimisation d’hyper-paramètres de réseaux de neurones. Cette thèse propose une comparaison de certaines méthodes d'optimisation, une amélioration en performance d'une de ces méthodes, l'optimisation bayésienne, et une nouvelle méthode d'optimisation d'hyper-paramètres basé sur la combinaison de deux méthodes existantes : l'optimisation bayésienne et hyperband.Une fois équipés de ces outils, nous les avons utilisés pour des problèmes d'imagerie médicale : la classification de champs de vue en IRM, et la segmentation du rein en échographie 3D pour deux groupes de patients. Cette dernière tâche a nécessité le développement d'une nouvelle méthode d'apprentissage par transfert reposant sur la modification du réseau de neurones source par l'ajout de nouvelles couches de transformations géométrique et d'intensité.En dernière partie, cette thèse revient vers les méthodes classiques de vision par ordinateur, et nous proposons un nouvel algorithme de segmentation qui combine les méthodes de déformations de modèles et l'apprentissage profond. Nous montrons comment utiliser un réseau de neurones pour prédire des transformations globales et locales sans accès aux vérités-terrains de ces transformations. Cette méthode est validé sur la tâche de la segmentation du rein en échographie 3D. / In the last few years, deep learning has changed irrevocably the field of computer vision. Faster, giving better results, and requiring a lower degree of expertise to use than traditional computer vision methods, deep learning has become ubiquitous in every imaging application. This includes medical imaging applications. At the beginning of this thesis, there was still a strong lack of tools and understanding of how to build efficient neural networks for specific tasks. Thus this thesis first focused on the topic of hyper-parameter optimization for deep neural networks, i.e. methods for automatically finding efficient neural networks on specific tasks. The thesis includes a comparison of different methods, a performance improvement of one of these methods, Bayesian optimization, and the proposal of a new method of hyper-parameter optimization by combining two existing methods: Bayesian optimization and Hyperband.From there, we used these methods for medical imaging applications such as the classification of field-of-view in MRI, and the segmentation of the kidney in 3D ultrasound images across two populations of patients. This last task required the development of a new transfer learning method based on the modification of the source network by adding new geometric and intensity transformation layers.Finally this thesis loops back to older computer vision methods, and we propose a new segmentation algorithm combining template deformation and deep learning. We show how to use a neural network to predict global and local transformations without requiring the ground-truth of these transformations. The method is validated on the task of kidney segmentation in 3D US images.

Historique et Objectif : La littérature est conflictuelle sur le rôle des calcifications aortiques dans la rupture d’anévrisme de l’aorte abdominale (AAA). La prédiction de rupture d’AAA basée sur le sexe et le diamètre est peu précise. Le but de ce projet était donc de déterminer si les calcifications permettent de mieux prédire la rupture d’AAA que le sexe et le diamètre à eux seuls. Méthodologie : Lors de cette étude rétrospective, 80 patients traités pour rupture d’AAA entre Janvier 2001 et Août 2018 ont été appariés à 80 patients non-rompus sur la base du diamètre maximal d’AAA, de l’âge, du sexe et de la présence de contraste lors du scan. La charge et la répartition des calcifications de la paroi aortique ainsi que certaines variables morphologiques d’anévrisme ont été comparées entre les deux groupes par analyse univariée et apprentissage machine. Résultats : L’âge moyen des patients était de 74.0 ± 8.4 ans et 89% étaient des hommes. Les diamètres d’AAA étaient équivalents entre groupes (80.9 ± 17.5 vs 79.0 ± 17.3 mm, p= 0.505). Selon l’analyse univariée, les anévrismes rompus comportaient significativement moins d’agrégats de calcifications (18.0 ± 17.9 vs 25.6 ± 18.9, p=0.010) et étaient moins enclins à avoir un collet (45.0% vs 76.3%, p<0.0001). Les 5 variables les plus importantes délivrées par l’apprentissage machine étaient: collet, antiplaquettaires, nombre de calcifications, distance d’Euler entre calcifications et finalement l’écart-type de la distance d’Euler entre calcifications. Le modèle à 5 variables a produit une aire sous la courbe (AUC) de 0.81 ± 0.02 (sensibilité 83% et spécificité 71%), supérieure à une AUC de 0.67(IC 95%, 0.58-0.77%) (sensibilité 60% et spécificité 77%) obtenues dans une étude antérieure avec une population similaire à celle-ci et ne tenant compte que du sexe et du diamètre. Conclusion : La charge en calcifications des anévrismes rompus était moins bien répartie que celle des non-rompus. Le modèle d’apprentissage machine a mieux prédit la rupture que le modèle basé uniquement sur le diamètre et le sexe. / Background and Purpose: Literature is conflictual regarding the role of aortic calcification in AAA rupture. AAA rupture prediction based on sex and diameter could be improved. The goal of this project was to assess whether aortic calcification could better predict AAA rupture. Methods: In this retrospective study, 80 patients treated for a ruptured AAA between January 2001 and August 2018 were matched with 80 non-ruptured patients based on maximal AAA diameter, age, sex and contrast enhancement status of the CT scan. Calcification load and dispersion, morphologic and clinical variables were compared between both groups using a univariable analysis and machine learning. Results: Mean age of patients was 74.0 ± 8.4 years and 89% were men. AAA diameters were equivalent in both groups (80.9 ± 17.5 vs 79.0 ± 17.3 mm, p= 0.505). Ruptured aneurysms contained a smaller number of calcification chunks than the non-ruptured (18.0 ± 17.9 vs 25.6 ± 18.9, p=0.010) and were less likely to have a proximal neck than the non-ruptured (45.0% vs 76.3%, p<0.0001). In the machine learning analysis, 5 variables were associated to AAA rupture: proximal neck, antiplatelets, calcification number, Euler distance between calcifications and standard deviation of the Euler distance between calcifications. The model including these 5 variables yielded an area under the curve (AUC) of 0.81 ± 0.02 (83% sensitivity and 71% specificity) which was better than a previous study with a similar population reporting a 0.67 AUC (95% CI, 0.58-0.77%) (60% sensitivity and 77% specificity) for sex and diameter only. Conclusion: Ruptured aneurysms were more likely to have their calcification load concentrated in a small number of clusters closer to each other. Our 5-variable model predicted rupture better than the model based on age and sex.