Cette thèse décrit la conception et l'évaluation de systèmes robotiques de ponctions percutanées d'aiguilles guidés par imagerie médicale. Les ponctions percutanées d'aiguilles sont devenues de plus en plus communs dans la diagnostique et le traitement d'un assortiment de maladies humaines. Des exemples d'interventions fréquentes sont les biopsies, les ablations de tumeurs par radiofréquence, la cryothérapie, le drainage et la curiethérapie, entre autres. Le couplage de l'imagerie médicale avec l'insertion d'une aiguille donne suite à un nombre de difficultés pour le clinicien, tels que l'alignement précis de l'aiguille à la trajectoire planifiée dans l'image, la réalisation de trajectoires complexes et hors-plans difficiles à visualiser, et la compensation du mouvement et déformation des tissus mous. La robotique peut être utilisé pour assister à ces procédures pour simplifier les défis et potentiellement améliorer leur précision, leur bénéfices cliniques et leurs taux d'inclusion. Cette thèse expose les défis techniques et cliniques auxquels il faut faire typiquement face pendant la conception et l'évaluation de tels robots de ponction, tout en restant sur les aspects qui les différentient d'autres robots médicaux. Une revue de l'état de l'art est utilisé pour décrire ces défis et pour présenter les divers solutions déjà proposés pour leur faire face. Sur cette base, deux tels systèmes robotiques, développés pendant cette thèse, sont décrits en détail, donnant ainsi des exemples concrètes des nombreuses contraintes imposés dans le cadre de ponctions d'aiguilles guidés par imagerie médicale. Le premier système, s'appelant PROSPER, est dédié aux interventions prostatiques transpérinéales guidés par imagerie ultrasonique, en particulier la curiethérapie. Le robot est fixé à la table chirurgicale et une sonde échographique 3D transrectale lui est rigidement relié, permettant ainsi un calibrage préopératoire entre l'espace du robot et l'espace image. Le protocole développé pour ce système inclue un recalage écho-écho peropératoire pour compenser le mouvement et la déformation de la prostate pendant l'insertion des aiguilles. Ce chapitre expose les défis d'un système qui n'est pas physiquement présent dans l'espace de l'image et qui tient en compte le divers contraintes intrinsèques à l'environnement des tissus mous. Le deuxième système s'appelle LPR et est destiné à la radiologie interventionnelle des régions thoraciques et abdominopelviennes, sous guidage TDM et IRM. Il est fixé sur le corps du patient et positionne et insère une aiguille selon une trajectoire et visant une cible choisis par le radiologue dans l'image. Le robot est calibré à l'image en peropératoire par moyens de mires multimodales incorporés dans la structure du robot. Il est entièrement compatible avec les deux modalités d'imagerie en terme de qualité d'image et contraintes de taille. Par rapport au robot PROSPER, ce chapitre montre comment la présence du robot dans l'espace de l'image donne suite à un nombre d'autres défis qui doivent être considérés pour permettre son acceptabilité clinique. Dans les descriptions des deux systèmes, l'accent est mis sur les solutions innovantes mises en place dans le but de fournir des vrais bénéfices cliniques aux patients ainsi qu'aux cliniciens. Des prototypes de chaque système ont été développés et évalués sur des fantômes synthétiques en termes de leur précision et compatibilité préclinique. / This thesis describes the design and evaluation of robotic systems for medical image guided percutaneous needle interventions. Percutaneous needle interventions have become increasingly more common in the diagnosis and treatment of a variety of illnesses in the human population. Examples include biopsies, radiofrequency ablation, cryotherapy, abscess drainage, and brachytherapy, amongst others. The coupling of medical imaging to the insertion of a needle raises a number of difficulties for the physician, such as accurately aligning the needle to the planned trajectory in the image, realizing complex out-of-plane trajectories that are difficult to visualize and compensating for soft tissue motion. Robotics can be used to assist these procedures and simplify these challenges, potentially resulting in more accurate procedures, better clinical outcomes and greater patient eligibility. This thesis outlines the technical and clinical challenges typically faced during the design and evaluation of such needle insertion robots. Focus is given primarily to the aspects which differentiate needle insertion robots from other medical robots. A review of the state of the art is used to describe these challenges and to present some of the solutions that have been proposed to face them. On this basis, two such robotic systems, developed during this thesis, are described in detail, providing concrete examples of the variety of design constraints imposed in a medical image guided needle insertion setting. The first system, called PROSPER, is for ultrasound(US)-guided transperineal prostate interventions, in particular brachytherapy. It is mounted to the surgical table and a 3D transrectal US probe is rigidly connected to it, allowing one-time pre-operative calibration between the image and the robot coordinate spaces. The protocol developed for this system includes intra-operative US-US registration in order to compensate for prostate motion and deformation during insertion. This chapter exposes the challenges of a system that is not physically present in the imaging space and that takes into account the various constraints inherent to a soft tissue environment. The second system, called the LPR, is for thoracic and abdominopelvic interventional radiology procedures under CT and MRI guidance. It is mounted on the patient's body and positions and inserts the needle according to the trajectory and target chosen by the radiologist in the image. The robot is calibrated to the image intra-operatively using multi-modal fiducials embedded in the robot's structure. It is fully compatible with both imaging modalities in terms of image quality and space constraints. As opposed to the PROSPER robot, this chapter shows how the presence of the robot in the imaging space brings about a number of additional challenges that must be faced for its clinical acceptability. In the descriptions of both systems, emphasis is placed on the novel solutions put into place with the goal of providing a real clinical benefit to both patients and clinicians. Prototypes of each system were developed and evaluated on synthetic phantoms in terms of their pre-clinical compatibility and accuracy.

Suite à l’émergence de protocoles d’hypofractionnement à visée curative comportant un risque accru de toxicité, il devient fondamental d’arriver à augmenter la précision dans la délivrance de la dose. Les mouvements internes entre et pendant les séances d’irradiation peuvent devenir un facteur limitant majeur pour la qualité de l’irradiation des localisations tumorales mobiles. C’est le cas pour le cancer de la prostate pour lequel l’hypofractionnement est une voie prometteuse bien qu’il existe un risque élevé de toxicité digestive. Lors de cette thèse, nous nous sommes intéressés à la quantification et correction des mouvements du volume cible irradié dans le cadre d’une radiothérapie pour un cancer de la prostate sans ou après ablation totale de la glande. Nous avons étudié un nouveau système d’imagerie basé sur la modalité ultrasons (US) permettant de visualiser la zone pelvienne grâce à deux voies d’acquisition : transabdominale (TA) et transpérinéale (TP). Contrairement aux systèmes US précédemment commercialisés, les mouvements entre les séances de simulation et de traitement (mouvements interfractions) sont quantifiés par recalage monomodal US/US. De plus, des images acquises avec la sonde TP en continu pendant l’irradiation permettent de quantifier les mouvements intrafractions du volume cible. Nous avons proposé une méthodologie d’évaluation des deux sondes US-TA et US-TP pour la correction des mouvements interfractions, en conditions cliniques. Les données US ont été comparées à celles obtenues par tomodensitométrie (CBCT), actuelle modalité de référence. De plus, nous avons quantifié pour la première fois les incertitudes liées à l’impact de la pression de la sonde sur la localisation du volume cible, et à la variabilité inter-opérateur du recalage manuel US/US. Nous avons observé pour la sonde TA une faible concordance entre les mouvements interfractions mesurés par US et CBCT, ainsi qu’une variabilité importante de la pression exercée par la sonde et du recalage manuel entre les opérateurs. Pour la sonde TP, nous avons proposé une méthode corrective de la localisation de l’image US de référence qui nous a permis de valider son utilisation en clinique. Les données recueillies avec la sonde TP ont montré une importante variation des amplitudes et fréquences des mouvements intrafractions, parfois supérieurs à 15mm, entre les patients et d’une séance à l’autre pour un même patient. Nous avons proposé une étude dosimétrique des conséquences de ces déplacements et ainsi démontré que l’impact sur la dose délivrée au volume cible est patient-dépendant, et est plus important lorsque le traitement est délivré avec une stratégie d’hypofractionnement. Nous avons démontré dans cette étude la faisabilité de l'implémentation clinique de la technique US-TP qui permet un repositionnement quotidien en début de séance sans dose additionnelle ou marqueurs invasifs, et la correction de la position du volume cible pendant l’irradiation. / The emergence of hypofractionated treatments implies an increase of precision on the dose delivery. Organs motions between and during the irradiation fraction are a limiting factor for achieving a high quality treatment of mobile tumor localizations. In particular, hypofractionation was demonstrated as a promising strategy for prostate cancer treatment, whereas a high digestive toxicity cannot be excluded.During this thesis, motions of the target volume were quantified during radiotherapy delivered for treating a prostate cancer, on the prostatic gland or after a prostatectomy. An innovative imaging modality was used, based on two different ultrasound (US) probes: a transabdominal (TA) probe and a transperineal (TP) probe. Contrary to US systems previously commercialized, motions between simulation and treatment sessions were quantified with a monomodal registration US/US. Moreover, intrafraction motions of the target volume were recorded with the TP probe, since images can be continuously acquired with this probe. A methodology for evaluating the performances of the TA and TP probes were developed for the correction of interfractions motions, in clinical conditions. US data were compared with the current reference modality, the Cone Beam Computed Tomography (CBCT). Moreover, the uncertainties on the target localization due to the variability of the probe pressure and to inter-operator variability of the manual US/US registration were quantified for the first time. Poor agreements of the interfraction motions measurements were found between US and CBCT modalities, using the TA probe. Furthermore, a high variability of the TA probe pressure and of the inter-operator registration was observed. Using the TP probe, a corrective method of the US reference image localization was developed and validated, leading to a high agreement with the CBCT modality.Intrafraction motions were observed with the TP probe, and were highly patient and session dependent. A dosimetric study was proposed to evaluate the impact of the intrafraction motion on the dose delivery. The effects were patient dependent and more important when the treatment was simulated using a hypofractionated strategy.

Le traitement et l’analyse d’images angiographiques rotationnelles 3D (3DRA) de haute résolution spatiale pour l’aide à la planification d’interventions en neuroradiologie interventionnelle est un domaine de recherche récent et en plein essor. Les neuroradiologues ont besoin d’outils interactifs pour la planification des procédures d’embolisation et l’optimisation du guidage de microcathéters durant les interventions endovasculaires. L’exploitation des données d’imagerie pour l’aide au diagnostic et la thérapeutique requiert le développement d’algorithmes robustes et de méthodes efficaces. Ces méthodes permettent d’intégrer les informations contenues dans ces images pour en extraire des descripteurs anatomiques utiles durant les phases pre et per-opératoires.Cette thèse est dédiée au développement d’une chaine de traitement complète comprenant la segmentation, la reconstruction tridimensionnelle (3D) et la représentation symbolique de vaisseaux cérébraux à partir d’images 3DRA, pour faciliter la planification d’interventions d’embolisation pour le traitement de Malformations ArtérioVeineuses cérébrales (MAVs).La première partie du travail est consacrée à l’étude des différentes approches utilisées en segmentation des vaisseaux. Deux méthodes de segmentation sont ensuite proposées. Tout d’abord, une méthode de segmentation 2D coupe par coupe est développée ainsi qu’un technique robuste de suivi de vaisseaux permettant de détecter les bifurcations et de poursuivre le tracking de plusieurs branches du même vaisseau. Un maillage basé sur la triangulation Contrainte de Delaunay permet ensuite la reconstruction et la visualisation 3D des vaisseaux ainsi obtenus. Une méthode de segmentation 3D automatisée des images 3DRA est ensuite développée, elle présente l’avantage d’être plus rapide et de traiter le volume d’images entier en 3D. Cette méthode est basée sur la croissance de régions. Le processus 3D démarre à partir d’une coupe initiale pré-segmentée en utilisant la reconstruction géodésique et sur laquelle les germes sont placés de manière automatique. Finalement, une représentation du réseau vasculaire sur laquelle on distingue clairement les trois entités que sont les artères, les veines drainantes et le nidus est obtenue.La deuxième partie de la thèse est consacrée à la représentation symbolique des vaisseaux. L'étude hiérarchique du squelette permet de donner une description graphique du réseau vasculaire cérébral. A partir de cette description graphique, les vaisseaux et leurs branches sont labellisés et un ou plusieurs vaisseaux peuvent être isolés du reste du réseau pour une analyse visuelle plus précise, ce qui n’est pas possible avec les reconstructions 3D du constructeur. De plus, cette représentation améliore la détermination des chemins optimaux pour l’embolisation de la MAV et réduit la complexité due à l’enchevêtrement des vaisseaux malformés.La chaine de traitement complète ainsi développée aboutit à une description 3D précise des vaisseaux. Elle permet une meilleure compréhension structurelle du réseau vasculaire cérébral et offre aux neuroradiologues la possibilité d’extraire des descripteurs anatomiques, et géométriques (taille, diamètre…) des vaisseaux. Enfin, une étape de vérification des résultats par un expert neuroradiologue a permis la validation clinique des résultats de segmentation et de reconstruction 3D. L’intégration des algorithmes développés dans une interface graphique intuitive et facile d’utilisation devra être faite pour permettre l’exploitation de nos résultats en routine clinique / The processing and analysis of 3D Rotational Angiographic images (3DRA) of high spatial resolution to facilitate intervention planning in interventional neuroradiology is a new and booming research area. Neuroradiologists need interactive tools for the planning of embolization procedures and the optimization of the guidance of micro-catheters during endovascular interventions. The exploitation of imaging data to help in diagnosis and treatment requires the development of robust algorithms and efficient methods. These methods allow integrating information included in these images in order to extract useful anatomical descriptors during preoperative and peroperative phases.This thesis is dedicated to the development of a complete processing pipeline including segmentation, three-dimensional (3D) reconstruction and symbolic representation of cerebral vessels from 3DRA images, aiming to facilitate the embolization intervention planning for the treatment of cerebral ArterioVenous Malformations (AVMs).The first part of the work is devoted to the study of the different approaches used for the segmentation of vessels. Two segmentation methods are then proposed. First, a 2D slice-by-slice segmentation method is developed, followed by a robust vessel tracking process that enables detecting bifurcations and further following several branches of the same vessel. A mesh based on the Constrained Delaunay triangulation allows then the 3D reconstruction and visualization of the obtained vessels. An automated 3D segmentation method of 3DRA images is then developed, which presents the advantage of being faster and processing the whole 3D volume of images. This method is region growing based. The 3D process starts from an initial pre-segmented slice using the geodesic reconstruction, where the seeds are automatically placed. Finally, a representation of the vasculature is obtained, in which these three entities are clearly visible: the feeding arteries, the draining veins and the nidus.The second part of the thesis is devoted to the symbolic representation of the vessels. The hierarchical study of the skeleton allows giving a graphic description of the cerebral vascular network. From this graphic description, the vessels and their branches are labeled and one or more vessels can be isolated from the rest of network for a more accurate visual analysis, which is not possible with the original 3D reconstructions. Moreover, this improves the determination of the optimal paths for the AVM embolization and reduces the complexity due to the entanglement of the malformed vessels.The complete processing pipeline thus developed leads to a precise 3D description of the vessels. It allows a better understanding of the cerebral vascular network structure and provides the possibility to neuroradiologists of extracting anatomical and geometric descriptors (size, diameter...) of the vessels. Finally, a verification step of the results by a neuroradiology expert enabled clinical validation of the 3D segmentation and reconstruction results. The integration of the developed algorithms in a user-friendly graphical interface should be achieved to allow the exploitation of our results in clinical routine

L’imagerie mentale consiste en un processus mental dynamique par lequel un sujet humainrevit intérieurement des sensations avec ou sans stimuli externes. Cette opération cognitivepeut être appliquée dans différentes modalités ;les termes d’imagerie motrice sont utiliséslorsqu’elle est concerne le mouvement. Les études en imagerie fonctionnelle cérébrale sesont multipliées considérablement ces deux dernières décennies et ont permis d’analyser lescorrélats neuronaux du mouvement réalisé et imaginé, mettant en exergue des réseauxneuronaux identiques lors de l’imagerie motrice et de l’exécution réelle mais aussi des airesspécifiques à chaque modalité.L’objectif de nos recherches était d’étudier l’influence de facteurs intrinsèques aumouvement imaginé sur les activations cortico-sous-corticales. Dans un premier temps,nous avons comparé ces activations lors du mouvement imaginé et lors du mouvementexécuté avec deux méthodes d’analyses distinctes :GLM (General Linear Model) et TICA(Tensorial Independent Component Analysis). Dans un deuxième temps, nous avonsanalysé l’influence de la vitesse sur le mouvement imaginé et sur le mouvement exécuté enétudiant les activations cortico-sous-corticales lors d’une séquence motrice identiqueimaginée et exécutée à vitesse rapide et à vitesse lente. Dans un troisième temps, nousavons étudié l’influence de l’apprentissage sur le mouvement imaginé an analysant lesréseaux neuronaux moteurs et cognitifs impliqués lors d’un apprentissage moteur parimagerie mentale.Nos résultats ont montré que la méthode TICA permet une analyse plus précise des réseaux etsous-réseaux liés à la tâche et impliqués dans l’imagination et l’exécution d’une mêmeséquence motrice que la méthode GLM. Nous avons pu confirmer que ces deux tâchesrecrutent un réseau fronto-pariéto-insulo-temporo-cérébelleux commun impliqué dans lapréparation, le contrôle et la simulation motrice ;incluant le système miroir. Par ailleurs, nousavons mis en évidence un réseau bilatéral plus étendu au niveau des cortex fronto-polaire,préfrontal, insulaire médial, précunéal et néocérébelleux lors de l’imagerie motrice alors quel’exécution motrice montrait une activation spécifique du cortex sensorimoteur ainsi qu’unsous-réseau cérébello-thalamo-corticomoteur probablement impliqué dans l’initiation et lacorrection motrice. Les résultats de notre second travail ont montré que le taux demouvements active spécifiquement et différentiellement certaines aires corticales associatives,striatales et cérébelleuses. L’exécution de mouvements lents et l’imagination de mouvementslents et rapides ont révélé des activations communes au niveau des cortex frontopolaire,orbitofrontal et préfrontal dorsolatéral, suggérant que l’exécution de mouvements lentspartage avec l’imagerie motrice l’exigence de requérir des ressources exécutives importantestelles que l’attention, la mémoire de travail et la représentation mentale afin d’assurer uncontrôle fin, conscient et complexe nécessaire à ce type de tâche. L’exécution demouvements rapides a permis de mettre en évidence un contrôle plus automatique, relayé parle biais d’une boucle (pré)-motrice-cortico-cérébelleuse impliquant le vermis antérieur et,d’une manière moins étendue, les lobules cérébelleux VI/VII/VIII. Nous suggérons donc quele vermis antérieur contribue aux aspects computationnels de la commande rapide alors que lelobe supérieur plus latéral et le lobule VIII régule le séquençage et la régulation des patternsdes sous-mouvements.Les résultats de notre troisième travail ont montré qu’un entraînement par pratique mentaleentraîne des améliorations des performances motrices associées à une réorganisation corticosous-corticale. Nos observations ont permis de mettre en évidence le recrutement du putamenen phase avancée de l’apprentissage par pratique mentale tel que retrouvé dans les modèlesd’apprentissage moteur classiques. De plus, des activations néocérébelleuses etparacingulaires ont été notées après l’apprentissage, soulignant une réorganisation corticalefonctionnelle au niveau du réseau attentionnel, plus spécifiquement au niveau du réseau decontrôle exécutif qui assure des ressources cognitives supplémentaires et transitoiresnécessaires à l’exécution et l’encodage de nouvelles tâches.En conclusion, nos travaux ont permis d’analyser les effets de certains facteurs intrinsèquesau mouvement sur les activations cortico-sous-corticales lors de l’imagerie mentale et decomparer ceux-ci au mouvement réel. La vitesse de mouvement ainsi que le niveaud’apprentissage sont deux paramètres qui influent sur les réseaux neuronaux mis en jeu par lesdeux modalités de mouvement, réel et imaginé, laissant entrevoir des possibilités multiples entermes d’apprentissage moteur dans des disciplines diverses telles que la neurologie, lamédecine physique ou la pratique sportive. / Doctorat en Sciences de la motricité / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La manipulation robotique d'une sonde échographique a été un important sujet de recherche depuis plusieurs années. Plus particulièrement, des méthodes d'asservissement visuel guidé par échographie ont été développées pour accomplir différentes tâches, telles que la compensation de mouvement, le maintien de la visibilité d'une structure pendant la téléopération, ou le suivi d'un instrument chirurgical. Cependant, en raison de la nature des images échographiques, garantir une bonne qualité d'image durant l'acquisition est un problème difficile, qui a jusqu'ici été très peu abordé. Cette thèse traite du contrôle de la qualité des images échographiques acquises par une sonde robotisée. La qualité du signal acoustique au sein de l'image est représentée par une carte de confiance, qui est ensuite utilisée comme signal d'entrée d'une loi de commande permettant d'optimiser le positionnement de la sonde échographique. Une commande hybride est également proposée pour optimiser la fenêtre acoustique pour une cible anatomique qui est détectée dans l'image. L'approche proposée est illustrée dans le cas d'un scénario de télé-échographie, où le contrôle de la sonde est partagé entre la machine et le téléopérateur. / The robotic guidance of an ultrasound probe has been extensively studied as a way to assist sonographers in performing an exam. In particular, ultrasound-based visual servoing methods have been developed to fulfill various tasks, such as compensating for physiological motion, maintaining the visibility of an anatomic target during teleoperation, or tracking a surgical instrument. However, due to the specific nature of ultrasound images, guaranteeing a good image quality during the procedure remains an unaddressed challenge. This thesis deals with the control of ultrasound image quality for a robot-held ultrasound probe. The ultrasound signal quality within the image is represented by a confidence map, which is used to design a servo control law for optimizing the placement of the ultrasound probe. A control fusion is also proposed to optimize the acoustic window for a specific anatomical target which is tracked in the ultrasound images. The method is illustrated in a teleoperation scenario, where the control is shared between the automatic controller and a human operator.

L'analyse des structures curvilignes en 3 dimensions est un problème difficile en analyse d'images. En effet, ces structures sont fines, facilement corrompues par le bruit et présentent une géométrie complexe. Depuis plusieurs années, de nombreuses méthodes spécialement dédiées au traitement d'images contenant des structures curvilignes ont vu le jour. Ces méthodes concernent diverses applications en science des matériaux, télédétection ou encore en imagerie médicale. Malgré cela, l'analyse des structures curvilignes demeure une tâche complexe.Dans cette présentation nous parlerons de la caractérisation des structures curvilignes pour l'analyse d'images. Nous présenterons en premier lieu une nouvelle méthode appelée RORPO, à partir de laquelle deux caractéristiques peuvent être calculées. La première est une caractéristique d'intensité, qui préserve l'intensité des structures curvilignes tout en réduisant celle des autres structures. La deuxième est une caractéristique de direction, qui fournit en chaque point d'une image, la direction d'une structure curviligne potentielle.RORPO, contrairement à la plupart des méthodes de la littérature, est une méthode non locale, non linéaire et mieux adaptées à l'anisotropie intrinsèque des structures curvilignes. Cette méthode repose sur une notion récente de Morphologie Mathématique: les opérateurs par chemins.RORPO peut directement servir au filtrage d'images contenant des structures curvilignes, afin de spécifiquement les préserver, mais aussi de réduire le bruit. Mais les deux caractéristiques de RORPO peuvent aussi être utilisées comme information a priori sur les structure curvilignes, afin d'être intégrées dans une méthode plus complexe d'analyse d'image.Dans un deuxième temps, nous présenterons ainsi un terme de régularisation destiné à la segmentation variationnelle, utilisant les deux caractéristiques de RORPO.L'information apportée par ces deux caractéristiques permet de régulariser les structures curvilignes seulement dans la direction de leur axe principal. De cette manière, ces structures sont mieux préservées, et certaines structures curvilignes déconnectées par le bruit peuvent aussi être reconnectées.Des résultats en 2D et 3D de ces méthodes seront enfin présentées sur des images de vaisseaux sanguins provenant de diverses modalités / The analysis of curvilinear structures in 3D images is a complex and challenging task. Curvilinear structures are thin, easily corrupted by noise and present a complex geometry. Despite the numerous applications in material sciences, remote sensing and medical imaging and the large number of dedicated methods developed the last few years, the detection of such structures remains a difficult problem.In this thesis, we work on the characterization of curvilinear structures. We first propose a new framework called RORPO, to characterize such structures through two features: an intensity feature which preserves the intensity of curvilinear structures while decreasing the intensity of other structures, and a directional feature providing at each point, the direction of the curvilinear structure.RORPO, unlike classic other state of the art methods, is non-local and non-linear, which are desirable properties adapted to the intrinsic anisotropy of curvilinear structures. RORPO is based on recent advances in mathematical morphology: the path operators.We provide a full description of the structural and algorithmic details of RORPO, and we also conduct a quantitative comparative study of our features with three popular curvilinear structure analysis filters: the Frangi Vesselness, the Optimally Oriented Flux, and the Hybrid Diffusion with Continuous Switch.Besides the straightforward filtering application, both RORPO features are designed to be used as prior information to characterize curvilinear structures. We propose a regularization term for variational segmentation which embed these features. Classic regularization terms are not adapted to curvilinear structures and usually lead to the loss of most of the low-contrasted ones. We propose to only regularize curvilinear structures along their main axis thanks to both RORPO features. This directional regularization better preserves curvilinear structures but also reconnect parts of these structures which may have been disconnected by noise.We present results of the segmentation of retinal images with the Chan et al. model either with the classic total variation or our directional regularization term. This confirm that our regularization term is better suited for images with curvilinear structures

Les SRPs (Small Rigid Platforms) sont des nanoparticules de taille inférieure à 5 nm, constituées d'une matrice de polysiloxane, à la surface de laquelle sont greffés de manière covalente des complexes de gadolinium. Les SRPs ont été développées pour des applications en imagerie multimodale, notamment en imagerie par résonance magnétique, en scintigraphie et en imagerie par fluorescence, ainsi que pour des applications en théranostic, et plus particulièrement, en radiosensibilisation. L'objectif de la thèse consiste à fonctionnaliser les SRPs par des entités de ciblage, capables d'identifier et de se lier à des récepteurs surexprimés par les tumeurs ou par l'endothélium qui leur est associé. Plus précisément, trois molécules ciblantes ont été retenues : (i) le c(RGDfK) – un pentapeptide cyclique contenant le motif Arg-Gly-Asp ciblant spécifiquement l'intégrine αuß3, récepteur de cellule endothéliale pour les protéines de la matrice extracellulaire et surexprimée par de nombreuses cellules cancéreuses, (ii) une molécule dérivée de la quinoxaline – ciblant la mélanine, sur-exprimée par de nombreux types de mélanomes (cancers de la peau), et (iii) un pyridinium – ciblant les protéoglycanes, sur-exprimés par le chondrosarcome (cancer du cartilage). Les différentes molécules ciblantes ont alors été greffées en surface des SRPs afin d'optimiser leur accumulation et leur rétention au sein des tumeurs, et par conséquent, d'augmenter le potentiel de ces SRPs en tant qu'agents théranostiques. Le couplage covalent des différents vecteurs aux SRPs et leur quantification ont été mis en évidence par diverses techniques de caractérisation physicochimiques et complémentaires. Enfin, le ciblage des nanoparticules vectorisées a été démontré par plusieurs tests in vitro et/ou in vivo lors de nombreuses collaborations pour les trois différents vecteurs / SRPs (Small Rigid Platforms) are sub-5 nanometre nanoparticles, composed of a polysiloxane network surrounded by gadolinium chelates. SRPs have previously demonstrated their efficiency for multimodal imaging and theranostic applications, especially magnetic resonance imaging, scintigraphy, fluorescence imaging, and radiosensitization. The purpose of this thesis deals with the functionalization of these SRPs by targeting entities able to recognize and to bind to receptors that are over-expressed by tumours or by the matching endothelium. More specifically, three targeting molecules drew our attention: (i) c(RGDfK) – a cyclic pentapeptide containing the Arg-Gly-Asp motif, able to target the αuß3 integrin, an endothelial cell receptor for the proteins of the extracellular matrix and frequently expressed by tumour cells, (ii) a quinoxaline derivative – targeting melanin, which is over-expressed by melanomas (skin cancers) and (iii) a pyridinium moiety – targeting proteoglycans, which are over-expressed in chondrosarcoma (cartilage cancer). The different targeting molecules were then grafted to the SRPs in order to maximize their accumulation and retention in tumours with the aim to enhance the SRP efficiency as theranostic agents. The covalent coupling of the different targeting molecules to the SRPs and their quantification were performed by various physicochemical characterization techniques. Finally, the targeting of the functionalized SRPs was highlighted by several in vitro and/or in vivo assays thanks to numerous successful collaborations

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative héréditaire qui affecte le cerveau. Cette maladie est caractérisée par des signes cliniques tels que la dépression, la démence ainsi que des troubles moteurs s’aggravant au fil du temps. Ces déficiences sont dues à une augmentation anormale de la taille des répétitions CAG dans le gène codant la protéine huntingtine. Celle-ci s’accumule dans les cellules cérébrales et entraine leur mort. Des études antérieures ont démontré que le profil métabolique mesuré en spectroscopie RMN ¹H pouvait être altéré chez les patients atteints de cette maladie ainsi que des atrophies majeures de certaines structures du cerveau. Des hypothèses impliquant des défauts du métabolisme énergétique ont été avancées pour expliquer en partie la physiopathologie de la maladie. Les acteurs du métabolisme pourraient ainsi constituer des biomarqueurs d’intérêt. A l'aide d'une modalité d'IRM prometteuse appelée CEST (Chemical Exchange Saturation Transfer : Transfert de Saturation par Echange Chimique) il est possible de détecter des protons labiles faiblement concentrés qui sont classiquement indétectables en IRM. Il devient ainsi possible de cartographier in vivo la distribution de métabolites comme le glutamate (qui est un neurotransmetteur) ou le glucose (qui est le carburant des cellules) qui sont potentiellement impliqués dans les maladies neurodégénératives. Les développements méthodologiques effectués lors de cette thèse ont ensuite été appliqués à des modèles de rongeurs de la maladie de Huntington (souris KI140, souris R6/1, rats BACHD) afin d'identifier les biomarqueurs potentiels de la pathologie et d'évaluer la pertinence de ces méthodes IRM innovantes. L’ensemble de ces résultats et des méthodes mises en place durant cette thèse montrent le potentiel de l’imagerie CEST pour l’étude des maladies neurodégénératives. / Huntington's disease (HD) is a inherited neurodegenerative disease affecting the brain. This disease is characterized by clinical symptoms such as psychiatric, cognitive and motor disorders worsening over time. These deficiencies are due to an abnormal increase in the size of the CAG repeats in the gene encoding the huntingtin protein. Thisaccumulates in the brain cells and causes their death. Previous studies have shown that the metabolic profile measured in ¹H NMR spectroscopy can be altered in patients with this disease as well as major atrophy of certain structures of the brain. Hypotheses involving defects in energy metabolism have been advanced to explain partially the pathophysiology of the disease. The metabolic actors could thus be biomarkers of interest. Using a promising MRI modality called Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST), it is possible to detect low-concentrated labile protons that are classically undetectable in MRI. It thus becomes possible to map in vivo the distribution of metabolites such as glutamate (which is a neurotransmitter) or glucose (which is the fuel of cells) which are potentially involved in neurodegenerative diseases. The methodological developments carried out during this thesis were then applied to rodent models of Huntington's disease (KI140 mice, R6/1 mice, BACHD rats) in order to identify potential biomarkers of the pathology and to evaluate the relevance of these innovative MRI methods. All of these results and methods implemented during this thesis show the potential of CEST imaging for the study of neurodegenerative diseases.

Trois axes sont définis par la Commission Internationale de Radioprotection pour gouverner la radioprotection :la justification, l’optimisation et des règlementations quant aux limites de doses d’irradiation. Ce travail vise à vérifier l’adéquation des méthodes et des techniques appliquées à ces trois axes. Quatre articles originaux sont présentés à cet effet.Concernant la justification, nous avons comparé des situations cliniques présentes/absentes de deux guidelines ainsi que la pertinence des prescriptions :les guidelines établis par Euro-2000 et ceux actualisés proposés par la Société Européenne de Radiologie sous la forme d’une plateforme numérique appelée iGuide. Davantage de cas cliniques rencontrés en pratique courante sont repris dans iGuide par rapport aux Guidelines Euro-2000. Néanmoins, l’inadéquation des recommandations aux situations cliniques auxquelles les prescripteurs sont confrontés contribue à expliquer leur faible adhésion et limite leur contribution à la justification.Concernant l’optimisation, nous avons investigué une technique qui vise à réduire l’irradiation mammaire en tomodensitométrie (TDM) thoracique. Sa conception prévoit une augmentation de l’irradiation en dehors du tissu mammaire afin de maintenir la qualité d’image pulmonaire. Les angles établis sur base anthropomorphique sont inadéquats. Le système risque d’engendrer un excès d’irradiation. Un tel système doit être évalué avant sa mise en œuvre car il peut engendrer une augmentation plutôt qu’une réduction de l’irradiation.Concernant la régulation des limites de doses, deux travaux s’intéressent à leur variabilité en fonction de la taille des échantillons en TDM et en radiographie. En se conformant aux petits échantillons exigés dans les enquêtes périodiques, les résultats sont très variables. Les conditions exigées sont dès lors inadéquates pour proposer des optimisations de doses et il convient d’augmenter le nombre d’examens exigés dans ces enquêtes.En perspective, les guidelines doivent continuer à être améliorés afin d’en accroître l’adhésion des prescripteurs. Les nouvelles technologies qui visent à réduire l’irradiation doivent être validées avant d’être mises en œuvre. Les enquêtes périodiques des doses délivrées en TDM et en radiographie doivent être basées sur de plus grands nombres d’examens. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans cette thèse, nous présentons la conception et l’étude de performance d’un tomographe par émission de positrons (TEP) corps entier utilisant la radiation Cherenkov avec capacité de temps-de-vol (projet PECHE). Nos résultats et les conclusions sont basés sur la simulation GATE pour la configuration du scanner suivante: cristal de fluorure de plomb attaché à un photomultiplicateur à micro-canaux. C’est un cristal de haute densité, transparent pour les photons ultraviolet, et possède la fraction photoélectrique la plus élevé de 46%. Le photomultiplicateur choisi est un détecteur de grande taille, rapide et pixélisé avec une efficacité quantique raisonnable, de 25% à une longueur d'onde de 400 nm. Grâce à ces propriétés, il est possible d’envisager un détecteur efficace de gamma de 511 keV avec une épaisseur de cristal de 10 mm (une longueur d'interaction) et donc de minimiser la longueur et dispersion des trajectoires de photons, résultant à une résolution temporelle optimisée. Nous avons étudié les configurations différentes de détecteur élémentaire tels que le cristal avec les épaisseurs de 10 et 20 mm, le diamètre de l'anneau de détection de 80 et 90 cm, diverses options de le revêtement de cristal (noir, blanc diffus et poli) et deux interfaces optiques (collage moléculaire et assemblage conventionnel avec un gel optique). Pour une configuration optimale, nous avons choisi un scanner TEP à trois anneaux avec un diamètre de l'anneau de 80 cm, cristal de 10 mm d'épaisseur, et un blindage en plomb. Le collage moléculaire donne une meilleure photo-collection comparée à configuration avec un gel optique. Nous avons estimé le potentiel du scanner envisagé en utilisant les tests recommandés par la norme NEMA NU 2-2012. En particulier, nous avons évalué le taux de comptage de bruit équivalent (NECR), la résolution spatiale, coefficients de recouvrement de contraste de l'image et la variabilité de bruit de fond pour le fantôme de qualité d’image. La reconstruction des images est faite en utilisant l'algorithme itératif temps-de-vol implémenté dans la plate-forme de reconstruction « open source » CASToR récemment développée. Nous avons conclu qu’un scanner corps entier utilisant la lumière Cherenkov pourrait atteindre des performances comparables à celles d'un tomographe classique à scintillation grâce à son excellente résolution temps-de-vol. L'utilisation du rayonnement Cherenkov permet d'atteindre une résolution en temps-de-vol encore meilleure. Il est limité actuellement par la dispersion de temps de transit des photomultiplicateurs existants, un faible nombre de photons optiques détectés et une efficacité de collecte de photons dans un cristal limitée. Les limitations physiques identifiées dans cette étude seront abordées dans le développement du futur photodétecteur amélioré utilisant le radiateur PbWO₄, qui permet de concevoir un scanner TEP corps entier avec une excellente performance temps-de-vols. / In this thesis we present the conception and performance studies of the foreseen Cherenkov whole-body positron emission scanner with time-of-flight potential (PECHE project). Our results and conclusions are based on the GATE simulation for following scanner configurations: lead fluoride crystal coupled with micro-channel-plate photomultiplier. This crystal is characterized by high density, transparency for photons in ultraviolet region, and one of the highest photoelectric fraction of about 46%. The chosen photomultiplier is fast, pixelized detector of a large size with a reasonable quantum efficiency, of 25% for 400 nm photon wavelength. Due to these properties, it is possible to create an efficient 511-keV gamma detector with a crystal thickness of the order of 10 mm(one interaction length) and hence minimize the length and dispersion of the photon trajectories, leading to better time resolution. We considered different configurations of the elementary detectors such as crystal thicknesses of 10 and 20 mm, the detector ring diameter of 80 and 90 cm, various options of the crystal coating (black, diffuse white and polished) and two optical interfaces (molecular bonding and conventional assembling with an optical gel). As an optimal configuration we chose a three-ring pet scanner with diameter of the ring 80 cm, 10 mm-thick crystal, protected with lead shielding. Molecular bonding gives better photo-collection if compare with configuration with optical gel. We estimated the potential of the foreseen scanner following the prescription of the NEMA NU 2-2012 standard. In particular, we evaluated the noise equivalent count rate (NECR), spatial resolution, image contrast recovery coefficients versus background variability for the NEMA image quality phantom. Reconstruction of images is done using iterative TOF algorithm implemented in the recently developed open source reconstruction platform CASToR. We concluded that due to an excellent TOF resolution a crystal-based Cherenkov whole-body scanner could achieve performances comparable with a conventional, scintillation-based tomograph. The use of the Cherenkov radiation allows to achieve even much better TOF resolution, but currently it is limited by the transit time spread of the existing photomultipliers, a low number of the detected optical photons, and a limited photon collection efficiency in a crystal. Limitations identified in this study will be addressed in the future development of the improved photodetector using the PbWO₄ radiator, which allows to conceive a whole-body PET scanner with an excellent TOF performance.