Résumé: L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil de choix en clinique pour la détection des maladies cardiovasculaires. Ses résolutions spatiale et temporelle élevées en font une technique fiable pour l'évaluation de la structure, de la fonction, de la perfusion ou encore de la viabilité du muscle du myocarde. Les modèles animaux, et plus particulièrement le rat et la souris transgénique, sont de plus en plus utilisés pour étudier les gènes et les mécanismes biologiques mis en cause dans les maladies cardiaques. L'IRM est devenue la méthode de référence pour l'étude non-invasive de ces modèles, et ce malgré des différences physiologiques comme la fréquence cardiaque élevée (jusqu'à 600 battements par minute chez la souris) ou la taille de l'animal qui rendent l'acquisition d'images plus ardue que dans le cadre clinique. Cependant, il est possible d'obtenir des images de bonne qualité grâce aux appareils dédiés à haut Champ, à des nouvelles stratégies de synchronisation des acquisitions et à l'utilisation de séquences d'impulsions optimisées pour l'imagerie du petit animal. Les travaux rapportés dans ce mémoire portent sur la mise en place de ces techniques sur l'appareil IRM 7 T du Centre d'Imagerie Moléculaire de Sherbrooke (CIMS). Nous donnons un aperçu des possibilités offertes par l'IRM cardiaque chez le petit animal, puis nous présentons le matériel et les méthodes utilisées pour réaliser l'étude de la fonction cardiaque chez le rat avec l'imagerie cinématique. Dans cette étude, nous proposons l'utilisation d'une technique de débruitage afin d'améliorer l'évaluation quantitative des paramètres de la fonction cardiaque. Enfin, nous détaillons le développement de deux séquences d'impulsions appliquées à un modèle d'infarctus du myocarde chez le rat : une séquence d'inversion-récupération pour l'imagerie de rehaussement tardif au gadolinium et une séquence de préparation T2 pour l'imagerie de pondération T2. // Abstract: Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a clinically valuable tool for the detection of cardiovascular diseases. Its high temporal and spatial resolutions have established it as a reliable technique for assessment of cardiac structure, fonction, perfusion, and myocardial viability. Animal models, and particularly rats and transgenic mice, are increasingly used for the study of genes and biological mechanisms involved in heart diseases. MRI has become the gold-standard for the non-invasive examination of these models, despite physiological differences such as the rapid heart rate (up to 600 beats per minute for the mouse) and the animal size, that make its application more challenging than clinical imaging. However, high-quality images can be obtained with dedicated high-field MRI scanners, novel gating strategies and optimised pulse sequences. The work reported in this thesis consists in the implementation of these techniques on the dedicated 7 T MRI scanner at the Sherbrooke Molecular Imaging Center. We first provide an overview of the possibilities offered by cardiac MRI in small animals, then we present the material and methods for the study of cardiac function in rats with cine-imaging. In this study, we propose the use of a denoising technique as a way to improve the evaluation of global cardiac function parameters. Finally, we explain in detail the development of two pulse sequences for their application in a myocardial infarction model : an inversion-recovery sequence for late gadolinium enhancement imaging and a T2-prepared sequence for T2-weighted imaging.

Pour ce travail de thèse, nous avons réalisé cinq études originales en utilisant trois technologies d'imageries cardiovasculaires non-invasives.-Nous avons démontré, à partir d'une étude ex-vivo sur des artères coronaires humaines, que le scanner64 détecteurs ne permettait pas de caractériser précisément les différents composants des plaques. Ladistinction des plaques fibreuses et des plaques lipidiques est en effet impossible. Par ailleurs, notretravail a montré que l'IVUS ne devait pas servir d'imagerie de référence lors des études sur la plaque carcet examen présente lui aussi de nombreuses imprécisions.-Notre travail sur la thrombo-aspiration rapporte un effet très significatif de l'extraction effective dethrombus lors des thrombo-aspirations à la phase aiguë des STEMI, avec une réduction de la taille du no-reflow et de l'infarctus, évaluées en IRM ; une thrombo-aspiration positive représentant par ailleurs dansnotre travail, un critère indépendamment lié à la taille finale de l'infarctus. L'extraction effective dethrombus pourrait être considéré, en salle de cathétérisme, comme un critère de jugement de l'efficacitéde la thrombo-aspiration.-Notre étude sur les syndomes coronaires à coronaires angiographiquement normales a confirmé l'intérêtde l'IRM dans le bilan étiologique de cette présentation clinique, permettant un diagnostic étiologiquedans 2/3 des cas. Par ailleurs, nous avons observé une excellente évolution pour le tiers des patients chezqui l'IRM ne décèle pas d'anomalie myocardique. Des études d'une plus grande envergure serontnécessaires afin de confirmer nos résultats.-A partir d'IRM cardiaque réalisées chez des patients ayant présenté un premier épisode de STEMI, nousavons pu déterminer une valuer seuil de troponine prédictive de la survenue d'un no-reflow.-Enfin, à partir d'analyses en Speckle Tracking, nous avons mis en évidence une dysfonction systolique VD,objectivée par une altération des valeurs de Strain longitudinal VD, chez les patients présentant une EPgrave ou de gravité intermédiaire, comparativement à un groupe de patients avec une EP non grave. / In this doctoral thesis, we report on five original studies that use three différent non-invasive cardiovascular imaging techniques:- In an ex vivo study of human coronary arteries, we show that 64-slice computed tomography (CT) scan isnot capable of distinguishing between différent components of plaques. Indeed, it is impossible todifferentiate between fibrous and lipid plaques. Our study also showed that intravascular ultrasound(IVUS) should not be used as thé référence method in studies of plaque composition, since this techniquealso suffers from numerous limitations.- Our study of thé efficacy of thrombo-aspiration showed a significant benefit with effective extraction ofthrombus during thrombo-aspiration at thé acute phase of ST élévation myocardial infarction (STEMI),notably with a réduction of thé extent of no-reflow and of infarct size as evaluated by magnetic résonanceimaging (MRI). Productive thrombo-aspiration was shown in our study to be an independent predictor offinal infarct size. Effective extraction of thrombotic material could be considered in thé cathlab as acriterion for evaluating thé success of thé thrombo-aspiration procédure.- Our study of acute coronary syndromes with normal coronary arteries confirmed thé utility of MRI inestablishing thé etiology of this clinical présentation, and made it possible to establish an etiologicaldiagnosis in two-thirds of patients. We also observed excellent outcomes in thé third of patients in whomMRI did not find any myocardial anomalies. Larger studies are warranted to confirm thèse findings.- Based on cardiac MRI performed in patients presenting a first épisode of STEMI, we established athreshold value of troponin that predicts thé occurrence of no-reflow.- Lastly, using speckle-tracking analysis, we demonstrated impaired systolic right ventricular function inpatients with intermediate to high risk pulmonary embolism (PE), evaluated by altérations in longitudinalstrain values at thé level of thé right ventricle, compared to a control group of patients with low risk PE.

La douleur est une expérience complexe et multidimensionnelle, elle peut donc être modulée par de nombreux facteurs. Dans le but de mieux comprendre le rôle et le fonctionnement respectif des régions cérébrales impliquées dans le traitement et la modulation de la perception douloureuse, la première partie de cette thèse s'intéresse à l'évaluation en imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (fMRI) des modifications de la réponse cérébrale à la douleur grâce à deux modulations de la perception douloureuse. La première étude s'intéresse à l'effet d'un contexte émotionnel négatif sur la perception douloureuse afin de dissocier des aires cérébrales répondant à la douleur, les réponses liées à la composante émotionnelle. La deuxième étude s'intéresse à l'effet d'une manipulation de l'appréciation de la durée d'une stimulation douloureuse sur la perception de la douleur. L'utilisation de cette illusion permet, pour une intensité de stimulation thermique donnée, de modifier la perception douloureuse et d'évaluer les zones cérébrales impliquées dans ce type de modulation. Nous avons réussi à augmenter ou diminuer la douleur perçue et pu observer que l'émotion met en jeu la partie prégénuale du cortex cingulaire antérieur, tandis que l'illusion d'une durée raccourcie met en jeu un réseau occipito-pariétal plus attentionnel. La seconde partie de cette thèse s'intéresse à la caractérisation du décours temporel de la réponse hémodynamique enregistrée en fMRI dans deux régions importantes pour le traitement de l'information douloureuse qui sont l'insula et le cortex cingulaire. La douleur est caractérisée par une latence de la réponse hémodynamique plus courte, par rapport à une stimulation non-douloureuse, dans l'insula antérieure et le cortex cingulaire moyen, tandis qu'il est possible de différencier une stimulation douloureuse d'une stimulation non-douloureuse grâce à l'amplitude de la réponse hémodynamique dans l'insula postérieure.

L'utilisation d'antennes miniatures à haute sensibilité basées sur le principe des lignes de transmission a permis, lors de l'étude de pathologies chez l'Homme ou le petit animal , une amélioration significative de la qualité des images obtenues en micro Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Les performances élevées de ces antennes et leurs dimensions réduites entrainent cependant des difficultés critiques pour traiter et conditionner le signal de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) détecté. Plus particulièrement, le réajustement de la fréquence de résonance de l'antenne de détection, au cours d'une expérience d'IRM, ne peut être réalisé à l'aide de composants rapportés, comme c'est le cas avec les antennes d'IRM conventionnelles, ceci afin de ne pas dégrader leurs performances.Notre étude a consisté à développer deux techniques d'accord originales et dédiées aux antennes miniatures à lignes de transmission. Ces techniques sont basées sur le déplacement micrométrique d'un élément d'accord à proximité de l'antenne entrainant une variation de l'environnement électromagnétique de celle-ci, et donc de la fréquence de résonance, par couplage (diélectrique ou inductif). L'ensemble des résultats obtenus (par des caractérisations expérimentales, des simulations numériques et des modélisations analytiques) a servi de base à la conception et la réalisation d'un dispositif de micro-déplacement chargé d'assurer le réglage fin de la fréquence de résonance à travers le déplacement de l'élément d'accord.La mise en œuvre d'une antenne accordée à l'aide du dispositif a été réalisée au sein d'un imageur à 4,7 T. Des images de démonstration sur fantôme ont été obtenues et validées, montrant ainsi la pertinence d'un tel dispositif et la faisabilité de systèmes résonants auto-accordés dédiés à l'IRM haute sensibilité.

Le travail de recherche présenté dans ce mémoire, concerne la synthèse et l'étude des propriétés de coordination du 64Cu par une nouvelle famille de ligands acycliques de type polyaminophosphonatés à fort potentiel en imagerie médicale, en particulier pour la tomographie par émission de positron TEP. Ce sujet a nécessité l'utilisation de méthodes analytiques telles que la potentiométrie, la spectrophotométrie et la spectrométrie de masse en mode electrospray pour les études thermodynamiques et des techniques de cinétique rapide a écoulement bloqué pour la détermination des vitesses de formation et de dissociation des complexes de Cu(II).Nous avons synthétisé quatre ligands (L1-L4) qui forment des complexes de formule CuL de forte stabilité et avec une bonne sélectivité pour le Cu(II) par rapport à d'autres métaux tels que Ni(II), Zn(II), Co(II) et Ga(III). La cinétique de complexation de Cu(II) s'est avérée rapide et elle suit un mécanisme à caractère dissociatif de type Eigen-Wilkins. Les complexes CuL formés avec cette série de ligand se caractérisent par une bonne inertie cinétique vis-à-vis de la démétallation et ils sont capables d'être réduit en présence de réducteurs biologiques tout en restant stables.Les complexes de lanthanides formés avec cette série de ligands sont très stables en milieu physiologique, en particulier ceux formés avec le ligand L1. Les complexes GdL1, GdL2 et GdL3 révèlent des relaxivités très intéressantes qui les désignent comme de futurs agents de contraste à fort potentiel en IRM.Le ligand L1 tetraphosphonaté a été fonctionnalisé par la présence de groupement réactif ce qui a permit le marquage de biomolécules, dont l'anticorps B28-13 anticorps anti-tenascineC pour la détection de tumeurs cancéreuses.

L'IRM joue un rôle extrêmement important dans l'évaluation de nouvelles thérapies anti-tumorale vis-à-vis des gliomes tant en préclinique, qu'en clinique. L'objectif de cette thèse est de déterminer si un ou plusieurs paramètres IRM peuvent être utilisés comme indicateur d'effet thérapeutique sur des modèles de gliomes chez le rat. Nous avons évalué différents paramètres IRM (ADC : coefficient de diffusion apparent de l'eau, BVf : volume sanguin et VSI : index de taille des vaisseaux) sur 6 modèles de gliomes étudiés pour le même volume tumorale, puis au cours d'un suivi longitudinal de 2. Ces 2 études ont permis de valider ces paramètres IRM (robustesse des techniques, validation biologique). Dans une 3ème étude, nous avons suivi l'évolution de ces paramètres en y ajoutant la mesure de la perméabilité des vaisseaux à un agent de contraste, et ce lors du suivi de 2 thérapies (chimiothérapie et anti-angiogénique). Dans une dernière étude nous avons complété ce protocole par la perméabilité quantitative à deux agents de contraste de taille différente ainsi que la mesure de la saturation sanguine en oxygène (lSO2) lors du suivi de l'effet de 2 thérapies (anti-angiogénique et radiothérapie par rayonnement synchrotron) appliquées seules ou en combinaison sur un modèle de gliome. L'IRM multiparamétrique telle que présentée dans les différentes études, apparaît comme une modalité d'imagerie ayant un fort potentiel pour l'évaluation en préclinique de nouveaux médicaments sur les tumeurs cérébrales. Le transfert clinique des nouvelles techniques IRM utilisées durant cette thèse (VSI, perméabilité à 2 agents de contraste, lSO2) peut maintenant être envisagé dans un futur proche.

Ce travail de thèse a pour objectif de préciser le rôle du cortex operculo-insulaire dans la somesthésie et la douleur chez l'Homme à l'aide d'études réalisées par stimulations électriques intracérébrales et en IRM fonctionnelle (IRMf). Deux secteurs fonctionnels distincts ont été mis en évidence; d'une part l'insula dont 60% des stimulations induisent des réponses somato-sensitives dont 10% sont douloureuses, où il existe une localisation préférentiellement postérieure des sites de stimulation donnant lieu à une réponse douloureuse et un décrément antéro-postérieur du seuil de déclenchement d'une réponse douloureuse, dont les champs récepteurs couvrent de larges surfaces cutanées, et où les réponses douloureuses ont une organisation somatotopique grossière ; d'autre part l'aire SII dont la stimulation induit quasi exclusivement des réponses somato-sensitives dont 10% sont douloureuses, sur des surfaces cutanées plus restreintes. SII et l'insula postérieure sont les deux seules régions corticales dont la stimulation est capable d'induire une sensation douloureuse. Une ségrégation fonctionnelle au sein de SII et de l'insula a été montrée en IRMf, par l'existence de patterns spécifiques d'activation pour chaque modalité sensitive, comprenant des sous- régions dont l'activation semble spécifique de la sensation douloureuse. Ceci confère à ces régions une originalité toute particulière au sein de la matrice douleur, puisqu'il semble qu'elles seules puissent activer le réseau fonctionnel des aires impliquées dans la sensation douloureuse et ainsi permettre 'l'expérience' de la douleur.

Le travail présenté dans ce document a pour but la mise en oeuvre d'un système de segmentation d'Images de Résonance Magnétique (IRM) cérébrales qui permette de tirer parti de plusieurs approches complémentaires en réponse à la complexité du problème posé. Face à la diversité des approches existant pour la segmentation (classification, modèles déformables,...) nous montrons que l'on peut définir un cadre de travail commun qui permette la mise en oeuvre de coopération entre des approches hétérogènes. Le cadre méthodologique que nous avons défini s'articule autour des notions d'apprentissage et d'adaptativité. L'apprentissage permet d'introduire des connaissances a priori, explicites, sur le contexte de travail sous la forme d'un modèle statistique déformable du contour du cerveau. L'information qui en résulte est exploitée pour spécialiser localement des agents de segmentation, ce qui confère au système son adaptativité. Nous avons mis en oeuvre trois grands principes de coopération pour réaliser la combinaison d'informations : (i) coopération par initialisation, qui exploite le résultat d'une méthode pour initialiser une seconde méthode, (ii) coopération par fusion d'informations, qui permet de tirer parti de la fusion de plusieurs sources d'informations complémentaires pour guider une phase de traitement, (iii)coopération par rétroaction, qui permet de revenir sur le processus complet de segmentation pour l'affiner ou encore pour transmettre des informations entre images. L'ensemble du travail a été validé sur des images synthétiques fournies par le Montreal Neurological Institute et illustré sur un ensemble d'images réelles.

Alors que l’Imagerie par résonance magnétique (IRM) permet d’obtenir un large éventail de données anatomiques et fonctionnelles, les scanneurs cliniques sont généralement restreints à l’utilisation du proton pour leurs images et leurs applications spectroscopiques. Le phosphore jouant un rôle prépondérant dans le métabolisme énergétique, l’utilisation de cet atome en spectroscopie RM présente un énorme avantage dans l’observation du corps humain. Cela représente un certain nombre de déEis techniques à relever dus à la faible concentration de phosphore et sa fréquence de résonance différente. L’objectif de ce projet a été de développer la capacité à réaliser des expériences de spectroscopie phosphore sur un scanneur IRM clinique de 3 Tesla. Nous présentons ici les différentes étapes nécessaires à la conception et la validation d’une antenne IRM syntonisée à la fréquence du phosphore. Nous présentons aussi l’information relative à réalisation de fantômes utilisés dans les tests de validation et la calibration. Finalement, nous présentons les résultats préliminaires d’acquisitions spectroscopiques sur un muscle humain permettant d’identiEier les différents métabolites phosphorylés à haute énergie. Ces résultats s’inscrivent dans un projet de plus grande envergure où les impacts des changements du métabolisme énergétique sont étudiés en relation avec l’âge et les pathologies. / Although magnetic resonance imaging (MRI) provides a wide array of anatomical and functional contrasts, clinical MRI systems are typically limited to imaging of tissue water and spectroscopy based on hydrogen atoms in more complex molecules. Given the important role of phosphate metabolism in virtually all biological processes, there has been considerable interest in the development of technology allowing detection and spectroscopy of magnetic resonance signals associated with phosphorus in the human body. This poses a number of technical challenges, due to the lower natural abundance and resonant frequency of phosphorus. The objective of this project was to develop and implement a basic in vivo phosphorus capability on a clinical 3 Tesla MRI scanner. We present here the various steps toward building and testing a working prototype of MR coil tuned to phosphorus frequency. We also provide information on building a set of test phantoms required for this project that can be used for signal calibration. Finally we show preliminary phosphorus spectra from muscle, in human subjects, demonstrating the main constituents in high-energy phosphate metabolism. These results pave the way for future applications in which the metabolic physiology of the human brain will be studied during aging and in disease.

Cette thèse se consacre au comportement d'interface des matériaux granulaires, et particulièrement au phénomène de localisation des déformations au voisinage d'une paroi. À l'aide d'une géométrie annulaire à vitesse de cisaillement et pression de confinement imposées, on confronte des approches expérimentale et numérique. L'approche expérimentale est composée par des expériences avec des matériaux modèles dans deux appareils de cisaillement simple annulaire (ACSA et mini-ACSA). On relie les mesures globales des contraintes et des variations volumiques aux mesures de déformation du milieu granulaire obtenues par corrélation d'images (ACSA) et par imagerie par résonance magnétique (mini-ACSA). L'approche numérique consiste en des simulations discrètes bidimensionnelles (dynamique moléculaire). On étudie l'influence de la géométrie et de la rugosité des parois dans le comportement des interfaces granulaires. En simulation, on complète l'étude avec l'analyse des effets inertiels.