Histoire et suivi d'une cohorte multicentrique de 100 nouveau-nés à terme ayant eu un infarctus cérébral artériel (cohorte AVCnn). L'homogénéité de la population, le nombre d'inclus, la somme des données collectées et leur comparaison à des groupes témoins puis désormais la durée du suivi font de la cohorte AVCnn un outil de travail unique dans la littérature. Les premiers résultats ont permis de définir un profil obstétrico-néonatal clinique et biologique à risque (objectif principal de l'étude). Inversement d'autres facteurs de risque suspectés (comme les dysgravidies ou les mutations des facteurs II et V de la coagulation) n'ont pu être confirmés, probablement du fait de la sélectivité des critères d'inclusion; les études antérieures ayant en effet inclus des enfants avec divers types d'AVC périnatals. La cause de l'accident n'a été établie (objectif secondaire) que pour une minorité d'enfants. Il semble exister plusieurs mécanismes pathologiques, dont le poids de naissance et le sexe seraient des biomarqueurs. Des facteurs pronostiques (objectif secondaire) de l'évolution motrice, accessibles dès les premiers jours de vie à l'lRM, ont également été déterminés alors que les symptômes n'apparaîtront que plusieurs mois après. Ceci permet d'envisager qu'une prise en charge précoce et ciblée sur ces nouveau-nés serait d'autant plus efficace que l'enfant n'a pas encore de symptômes. L'évaluation de la qualité de vie et de l'autonomie à l'âge de 3,5 ans est terminée. L'évaluation développementale (profil moteur, neuropsychologique, langagier, comportemental, épileptique et réussite scolaire) et de la réorganisation fonctionnelle cérébrale par IRM à 7 ans viennent de débuter.

Un applicateur ultrasonore interstitiel IRM compatible a été développé pour le traitement percutané du CHC sous contrôle de l'imagerie. Deux grands axes expérimentaux ont été abordés : 1) au cours d'une première expérimentation réalisée in vivo sur le foie de porc, des macro lésions correspondant à la fusion de lésions élémentaires par rotation du transducteur sur 360° ont pu être réalisées par voie percutanée sous contrôle échographique. Les macro lésions obtenues possédaient une taille voisine de celles obtenues en pratique clinique par la RF. De plus, les lésions élémentaires se montraient relativement indifférentes à l'effet de vol de chaleur ; 2) au cours d'une seconde expérimentation réalisée in vitro puis in vivo sur le foie de porc, un contrôle actif par IRM de température a pu être obtenu pour la création de lésions ultrasonores de taille et aspect similaires quelle que soit la direction du faisceau ultrasonore. Ce contrôle de température est apparu d'autant plus important que les puissances appliquées et du temps d'application pour l'obtention de lésions de taille similaire étaient extrêmement variables selon la direction du faisceau ultrasonore.

Les nouveau-nés reconnaissent leur langue maternelle à la naissance et sont meilleurs que leur maman pour percevoir les sons de toutes les langues existantes dans le monde. Comment la structure du cerveau peut-elle favoriser le développement de telles facultés ? Au cours de cette thèse, j'ai étudié l'anatomie des aires corticales du langage afin de mieux comprendre l'émergence du langage au début de la vie. L'anatomie a été décrite dans une population de nourrissons, à partir d'une séquence d'images IRM. En m'aidant de l'expertise des équipes de recherche de Neurospin, j'ai mis en place plusieurs outils méthodologiques : D'une part, nous avons proposé une nouvelle méthode de segmentation du cortex pour faire face au faible contraste des images dans les premiers mois de vie. Cette méthode s'appuie sur plusieurs propriétés des tissus dans l'image, sans faire appel à un atlas. Elle consiste à déformer deux surfaces, initialisées de part et d'autre du cortex, afin qu'elles convergent sur l'interface séparant la matière grise et la substance blanche. Nous obtenons de très bons résultats pour les cerveaux des nouveau-nés (coefficient de Dice = 0,89). D'autre part, nous avons défini un indice de maturation à partir des intensités du signal du cortex. La démarche a été validée en mesurant une forte corrélation de cet indice avec l'âge des nourrissons dans toutes les régions observées (R2=0,88). Selon l'hypothèse la plus vraisemblable, les variations de cet indice sont dues à une baisse du contenu en eau du cortex relative à la prolifération des membranes. Dans les images IRM, nous avons tracé manuellement les sillons du cortex dans les régions du langage. Puis, nous avons mesuré leurs asymétries et les indices de maturation du cortex proche de ces sillons. Nous observons une organisation précoce des aires du langage, proche de celle observée dans le cerveau adulte. Plus précisément : D'une part, nous rapportons une asymétrie de profondeur du sillon temporal supérieur, encore peu connue ; la plus grande profondeur de ce sillon à droite se maintiendrait tout au long du développement, tandis que la faible profondeur à gauche reflèterait l'initiation d'une structure plus compartimentée le long du sillon. Nous confirmons également les asymétries du planum temporale et du gyrus de Heschl, ainsi qu'un déplacement ventral et en arrière des régions temporales postérieures gauches. Ces asymétries seraient associées à une connectivité plus dense dans ces régions à gauche et à des différences interhémisphériques dans le traitement des stimuli auditifs, particulièrement la parole. D'autre part, notre indice de maturation a révélé une avance relative de l'aire de Broca au sein des régions préfrontales, souvent jugées immatures à cet âge. Nous observons aussi la présence d'une décroissance du degré de maturation suivant un axe dorso-ventral dans le lobe temporal, cohérente avec l'organisation hiérarchique des traitements du langage. Enfin, les indices de maturation dans l'aire de Broca et dans la région postérieure du sillon temporal supérieur étaient corrélés avec un autre indice de développement (anisotropie fractionnelle) dans le faisceau arqué. Cette corrélation suggère la formation précoce d'une voie dorsale du langage entre l'aire de Broca et les régions temporo-pariétales. Enfin, nous discutons des origines et des influences génétiques sur cette organisation, en suggérant l'existence de modules innés spécifiques au langage. Les résultats de cette thèse posent de nouvelles questions : si l'asymétrie du sillon temporal supérieur reflète une structure plus segmentée dans l'hémisphère gauche, quels sont les effets de ces compartiments sur les processus du langage ? Par ailleurs, quel rôle jouerait la voie dorsale que nous avons observée dans la latéralisation du langage ?

Le paysage des thérapies inhalées connaît de profondes évolutions depuis les deux dernières décennies, avec pour objet la considération nouvelle du poumon comme un site de transfert des agents thérapeutiques vers le compartiment sanguin. Cette approche originale est apparue par la combinaison de développements théoriques et pratiques multiples impliqués dans la mise au point de nombreux médicaments, depuis le traitement de la douleur et du diabète jusqu'à la vaccination et le traitement de certains cancers. La quantité effective de médicament délivrée par aérosols est pondérée par de nombreux facteurs dont le mode et les conditions d'inhalation, les propriétés physiques des gaz en jeu, la morphologie des voies respiratoires ou encore les propriétés physico-chimiques des particules véhiculées. Les développements en cours ces quatre dernières années ont été conditionnés par des résultats encore mal compris, soulignant les limites des connaissances sur le transport et le dépôt d'aérosols dans le poumon. Ces manques mettent en avant le besoin d'outils performants pour l'évaluation du dépôt de particules dans les voies respiratoires.Les techniques d'imagerie permettent à la fois l'évaluation spatiale et quantitative du dépôt, avec pour seules références aujourd'hui, les techniques de médecine nucléaire. Outre l'aspect ionisant de ces techniques, elles bénéficient d'une sensibilité de détection encore inégalée. Elles demeurent néanmoins limitées par des résolutions spatiale et temporelle faibles, rendant le plus souvent difficile tant l'interprétation du dépôt que le rôle joué par les principaux mécanismes de clairance dans les voies aériennes. Depuis la fin des années 1990, les techniques de résonance magnétique imagent des noyaux hyperpolarisés (hélium-3 et xenon-129) et établissent de nouveaux standards dans l'exploration de la fonction pulmonaire.Cette thèse établit, sur la base de l'IRM de l'hélium-3 hyperpolarisé, une nouvelle modalité d'imagerie pour détecter et quantifier le dépôt d'aérosols dans les voies aériennes.Dans un premier temps, et dans un contexte où l'imagerie par résonance magnétique ne s'était pas encore penchée sur la problématique des aérosols thérapeutiques, un vaste travail d'investigation a été mené pour évaluer la sensibilité de l'IRM de l'hélium-3 hyperpolarisé au dépôt d'aérosols marqués à base d'oxyde de fer superparamagnétique. Le second volet de ce travail s'est porté sur la validation de notre méthode d'évaluation, et sur le développement de la quantification du dépôt d'aérosols. Nous avons enfin pu tester la reproductibilité de notre méthode d'évaluation du dépôt in vivo chez le rat, grâce à la réalisation d'une plateforme de ventilation et d'administration de gaz et d'aérosols dédiée, SAGAS.

La parcellisation du cerveau humain en aires fonctionnelles est un problème complexe mais majeur pour la compréhension du fonctionnement du cerveau et pourrait avoir des applications médicales importantes en neurochirurgie par exemple pour mieux identifier les zones fonctionnelles à sauvegarder. Cet objectif va de pair avec l'idée de construire le connectome cérébral humain, qui n'est autre que le réseau de ses connexions.Pour définir un tel réseau, il faut en effet définir les éléments de ce réseau de connexions : c'est-à-dire avoir un découpage du cerveau en régions. Il existe de multiples manières et critères pour identifier ces régions et à ce jour il n'y a pas de parcellisation universelle du cortex. Dans cette thèse nous étudierons la possibilité d'effectuer cette parcellisation en fonction des données de connectivité anatomique, issues de l'imagerie par résonance magnétique de diffusion, qui est une technique d'acquisition permettant de reconstruire les faisceaux de neurones cérébraux de manière non invasive. Nous nous placerons dans un cadre surfacique en étudiant seulement la surface corticale et les connexions anatomiques sous-jacentes. Dans ce contexte nous présenterons un ensemble de nouveaux outils pour construire, visualiser et simuler le connectome cérébral humain, dans un cadre surfacique et à partir des données de connectivité anatomique reconstruites par IRM, et ceci pour un groupe de sujets. A partir de ces outils nous présenterons des méthodes de réduction de dimension des données de connectivité, que nous appliquerons pour parcelliser le cortex entier de quelques sujets. Nous proposons aussi une nouvelle manière de décomposer les données de connectivité au niveau d'un groupe de sujets en tenant compte de la variabilité inter-individuelle. Cette méthode sera testée et comparée à d'autres méthodes sur des données simulées et des données réelles. Les enjeux de ce travail sont multiples, tant au niveau méthodologique (comparaison de différents algorithmes de tractographie par exemple) que clinique (étude du lien entre altérations des connexions et pathologie).

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) est une modalité récente permettant de mesurer in vivo l'activité neuronale chez le sujet sain ou le patient et d'étudier le lien entre la structure et la fonction cérébrale. Nous nous sommes intéressés à l'utilisation de l'information de l'anatomie cérébrale pour l'analyse des données fonctionnelles. Ainsi, nous avons reconsidéré l'analyse classique typiquement réalisée voxel par voxel avec lissage spatial pour proposer un modèle de représentation des données reposant sur une parcellisation anatomo-fonctionnelle du cortex. Cette représentation permet de réduire la dimension des données en un nombre restreint d'éléments pertinents du point de vue des neurosciences. Nous présentons des exemples d'utilisation de cette approche de parcellisation fondée sur l'anatomie seulement dans un premier temps. Une étude de détection d'activations par modèle linéaire met en évidence une sensibilité accrue comparée à une approche voxel par voxel. Nous présentons également deux autres applications utilisant des parcellisations, concernant la sélection de modèle régional et les études de connectivité fonctionnelle. Cette description permet en outre de proposer une solution au problème de l'analyse d'un groupe de sujets qui peuvent présenter une forte variabilité anatomique et fonctionnelle. Pour s'affranchir du délicat problème de mise en correspondance des différents sujets, nous avons présenté une parcellisation regroupant entre les sujets les régions homogènes du point de vue à la fois anatomique et fonctionnel. L'application de cette méthode sur un protocole fonctionnel montre sa robustesse pour les analyses multi-sujets.

L'objectif de cette thèse était de développer des techniques de mesure de l'oxygénation cérébrale par IRM dans le contexte de l'angiogénèse tumorale. Nous avons mis en place une méthode de mesure de l'oxygénation tissulaire a partir de l'IRM du fluor-19. La réalisation d'une antenne RMN et une étude sur fantôme ont permis de calibrer la relation pO2/R1 pour la molécule d'héxafluorobenzène. Après injection intracérébrale du produit, des analyses de la pO2 dans des cerveaux de rats sains ont montré que les mesures étaient précises et variaient avec l'inspiration de différents gaz. Nous avons également développé une nouvelle méthode de mesure de l'oxygénation sanguine basée sur la quantification de l'effet BOLD. Un modèle mathématique et la combinaison de techniques de mesure du volume sanguin, du T2, T2* et de B0 ont permis d'obtenir des mesures quantitatives de la SO2. Ce protocole a été corrélé, sur cerveaux de rat sains, à des analyses de gaz du sang sous différentes conditions respiratoires. Des études sur des tumeurs cérébrales et pendant des traitements anti-cancéreux ont permis de comparer nos estimations de la SO2 a d'autres paramètres vasculaires comme le volume sanguin, l'index de taille des vaisseaux ou la perméabilité. Nous avons également confronté notre approche a l'histologie du pimonidazole, un marqueur de l'hypoxie. Enfin, nous avons développé des simulations informatiques pour estimer la précision des mesures IRM basées sur des modèles mathématiques. La combinaison de deux approches numériques récentes a permis d'intégrer a nos simulations des données réalistes de microvascularisation acquises par microscopie intravitale. Les résultats suggèrent que la modélisation des vaisseaux sanguins par des cylindres droits est justifiée, mais que la densité ou l'orientation des vaisseaux sanguins pourraient être sources d'une surestimation du volume sanguin par RMN.

Le sujet principal de cette thèse est la segmentation 3D de tumeurs du cerveau et de leurs différentes composantes (oedème et nécrose), ainsi que de structures internes du cerveau en IRM. Pour la segmentation de tumeurs nous proposons un cadre général qui est une combinaison des paradigmes fondés sur les régions et les contours. Dans ce cadre, nous segmentons d'abord le cerveau en utilisant une méthode adaptée aux cas pathologiques et extrayons des informations globales sur la tumeur par analyse de symétrie. La deuxième étape segmente la tumeur et ses composantes. Pour cela, nous proposons une méthode nouvelle et originale qui combine l'information de régions et de contours en deux phases. Pour la première, l'initialisation, nous présentons deux nouvelles méthodes. La première est une nouvelle méthode de classification floue qui exploite à la fois l'information des voxels et leurs voisinages (inspirés des champs Markov (MRF)), l'appartenance et la typicalité. La seconde se fonde sur l'analyse de la symétrie. La segmentation initiale de la tumeur est raffinée dans la deuxième phase par un modèle déformable contraint par des relations spatiales. Les relations spatiales sont obtenues en utilisant la segmentation initiale et les tissus environnant la tumeur. La méthode proposée peut être employée pour une grande classe de tumeurs dans n'importe quelle modalité en IRM. Pour segmenter une tumeur et ses composantes automatiquement, le cadre proposé a besoin seulement d'une image CE-T1w (con- trast enhanced T1-weighted) et d'une image FLAIR. Dans le cas d'une image CE-T1w seulement, l'interaction de l'utilisateur peut être nécessaire. Nous avons évalué cette méthode sur une base de données de 20 images CE-T1w et 10 images FLAIR avec différents types de tumeurs. Un autre but de cette thèse est la segmentation de structures internes du cerveau en présence d'une tumeur. Pour cela, une connaissance a priori sur l'anatomie et l'organisation spatiale des structures est fournie par une ontologie. Pour segmenter chaque structure, nous exploitons ses relations spatiales par rapport à d'autres structures, selon la connaissance a priori. Nous choisissons alors les relations spatiales qui sont valables en fonction de la tumeur segmentée. Ces relations spatiales sont alors modélisées dans un cadre flou proposé par notre groupe. Comme pour la tumeur, la procédure de segmentation de chaque structure comporte deux étapes. Dans la première étape nous recherchons la segmentation initiale de la structure dans le cerveau globalement segmenté. Le processus de recherche est fait dans la région d'intérêt fournie par la fusion des relations spatiales. Pour segmenter globalement les structures du cerveau nous employons deux méthodes. La première est la classification floue propos ée et la seconde repose sur les ensembles de niveaux multi-phases. Pour raffiner la segmentation initiale, nous employons un modèle déformable qui est contraint par les relations spatiales de la structure. Cette méthode a été également évaluée sur 10 images CE-T1w pour segmenter les ventricules, les noyaux caudés et les thalami.

Les plus fréquentes tumeurs cérébrales primitives chez l'adulte sont les gliomes. Depuis qu'il est établi que la néo-angiogenèse est liée fortement au mécanisme de croissance des gliomes, plusieurs drogues à visée anti-angiogénique ont étés développées et testés comme un traitement complémentaire en plus de radio- et chimiothérapie. De nouvelles approches par IRM ont été développées pour estimer non-invasivement la néo-angiogenèse tumorale in vivo et étudier son retentissement sur la vascularisation du tissu peritumoral. La première partie de cette thèse a permis d'évaluer la valeur pronostique de la mesure du volume sanguin cérébral (VSC) par l'IRM de perfusion pour la survie des patients qui portent un oligodendrogliome ou une tumeur mixte oligoastrocytaire. Les résultats montraient que le relatif VSC mesuré en IRM de perfusion de premier passage apparaissant comme un facteur pronostique pour la suive des patients. La deuxième partie de cette thèse vise à estimer la perfusion basale peri-tumorale par la technique de premier passage ainsi que la vasoréactivité peri-tumorale par la technique de l'IRMf lors d'inhalation de carbogène, pour évaluer les mécanismes pathophysiologique des altérations du signal BOLD à proximité des tumeurs cérébrales primitives. Les résultats indiquent que l'altération de perfusion basale ne peut pas expliquer le déficit de l'activation motrice au niveau du cortex moteur primaire. La réponse BOLD au carbogène était le meilleur facteur pour expliquer l'asymétrie de l'activation motrice.

Le travail présenté dans ce manuscrit porte, dans sa première partie, sur la conception et le développement d'un nouvel imageur numérique d'IRM à bas champ permettant l'amélioration du rapport signal sur bruit (RSB). Cet imageur est architecturé autour d'un procéssus de signal (DSP) offrant plus de flexibilité dans le traitement du signal et la reconstruction de l'image. L'originalité de l'instrumentation développée réside principalement dans la spécification et l'intégration d'un récepteur et d'un synthétiseur de fréquences entièrement numériques. Le choix de cette solution numérique est argumenté par le besoin d'élaborer un imageur peu onéreux et de faible encombrement pouvant être facilement intégré dans tout environnement aussi bien médical qu'industriel. L'évaluation des caractéristiques du système atteste qu'une amélioration d'environ 20 dB du RSB par rapport aux systèmes analogiques conventionnels est obtenues. Le potentiel de l'imageur numérique est démontré à travers les premières images obtenues par la séquence d'écho de gradient. La deuxième partie de ce travail traite la problématique de l'identification non linéaire des systèmes RMN à l'aide des techniques du filtrage adaptatif. L'objectif étant de permettre la prise en compte de la non linéarité de tels systèmes dans le traitement et l'analyse, jusqu'à présent linéaires, du signal RMN. Deux modèles décrivant cette non linéarité sont ainsi exposés et comparés. Il est démontré que le modèle du filtre non linéaire à réponse impulsionnelle infinie (RII) permet des performances similaires au filtre de Volterra avec un nombre moins élevé de coefficients.