Le glioblastome représente le sous-type de tumeur cérébrale le plus fréquent et le plus agressif. Malgré une meilleure compréhension de la maladie ainsi que l'émergence de nouvelles cibles, voire de nouveaux outils thérapeutiques, son pronostic reste inchangé. En effet, l'échec de l'extrapolation des résultats vers la clinique met en exergue la nature complexe de la maladie et la dimension décisive des modèles animaux adéquats et prédictifs dans l'étude des nouvelles thérapies. Et pour cause, un modèle animal idéal doit pouvoir reproduire les caractéristiques histo-pahologiques, génétiques et diagnostics de la pathologie humaine. Il doit avoir également une survie suffisante pour permettre la mise en place et l'évaluation de nouveaux traitements. Au cours de ce travail, nous avons développé un nouveau modèle de tumeur orthotopique chez la souris à partir de cellules de glioblastome humain cultivées en neurosphères. D'une façon similaire aux protocoles cliniques de neuro-imagerie, les techniques classiques d'IRM et les critères radiographiques ont été utilisés afin d'étudier la croissance tumorale de ce modèle ainsi que l'évaluation de sa réponse au traitement à base de temozolomide. Les observations par imagerie ont été complétées et/ou confirmées par examen histologique ainsi que par l'étude du transcriptome. Comme en clinique, ce nouveau modèle orthotopique présente une tumeur invasive et nécrotique, une résistance au temozolomide ainsi que des signatures moléculaires associées aux observations histologiques. De plus, ce modèle tumoral est caractérisé par une dynamique de signalisation promouvant l'invasion, la migration et la résistance à l'apoptose à l'origine de sa survie post-thérapeutique. Ainsi, ce modèle préclinique mime, au plus près, les caractéristiques de la pathologie humaine avec une médiane de survie des animaux de 82 jours, ce qui le rend pertinent pour l'évaluation préclinique des nouvelles stratégies thérapeutiques. / Glioblastoma is the most common and aggressive subtype of brain tumors. Despite a better understanding of the disease and also the emergence of new therapeutic targets and strategies, the prognosis of patients remains unchanged. The failure to extrapolate preclinical results to the clinics highlights the complex nature of the disease and the importance of appropriate and predictive animal models for the study of new therapies. A pertinent animal model should be able to reproduce the characteristic of the human pathology in terms of disease development pattern, histological and transcriptomic specification, drug failure as well as diagnostic features. In this work, we developed a novel orthotopic mouse model derived from human glioblastoma spheres. Like in clinics, conventional MRI techniques and radiographic criteria were used to characterize tumor growth and treatment response to temozolomide. MRI findings have been completed and/or confirmed by histological examination and transcriptomic studies. Like clinically encountered tumors, this new orthotopic tumor model presents an infiltrating growth pattern, resistance to temozolomide and a molecular signature associated with histological features. In addition, this tumor model is characterized by a dynamic signaling pathway, which promotes cell invasion and migration as well as resistance to apoptosis and consequently to treatment. Thus, this preclinical model mimics clinical features of human glioblastoma and has a median host survival time of 82 days, which would be relevant in the assessment of preclinical therapies.

Le travail méthodologique mis en place durant cette thèse a consisté en l'optimisation des acquisitions et des traitements de données pour l'imagerie quantitative de la perfusion cérébrale et de la vasoréactivité en ASL. Dans un premier temps, une méthode originale pour mesurer la largeur du bolus des spins marqués appelée BoTuS (Bolus Turbo Sampling) a été mise en place et validée afin d'améliorer la quantification de la perfusion cérébrale basale en ASL. Les acquisitions en ASL pulsé ont été comparé aux mesures de perfusion en premier passage gadolinium et en premier passage de produit de contraste iodé en scanner X sur des patients atteints de tumeurs cérébrales. Dans un second temps, afin d'améliorer la qualité des cartes de vasoréactivité en ASL, des analyses des variations physiologiques des sujets ont été implémenté afin d'être utilisé comme modèle dans l'analyse statistique des données. Enfin, ces méthodes optimisées au niveau de l'acquisition et de la chaîne traitement ont été appliquées sur des populations de sujets sains et de patients afin de les valider. Les applications cliniques ont été menées sur des patients porteurs de la maladie d'Alzheimer où l'on a montré une baisse de la vasoréactivité par rapport aux témoins âgés. La perfusion cérébrale et la vasoréactivité de sujets atteints de sténoses a été étudié. Enfin, une étude avant et après acclimatation à l'altitude a montré qu'un séjour de 7 jours à 4365 m augmente le débit sanguin cérébral et diminue la vasoréactivité cérébrale. / The methodological aspects implemented during this Ph.D. thesis consisted of the optimization of the acquisitions and data processing of ASL imaging for quantitative assessment of cerebral perfusion and vasoreactivity. First of all, an original technique called BoTuS (Bolus Turbo Sampling) was implemented and validated,with the aim to render the quantification of the pulsed ASL signal more robust. Cerebral blood flow measurements obtained using pulsed ASL were compared to gold standard techniques such as the first passage of gadolinium MRI and CT-scan perfusion in a population of patients with treated brain tumors. Secondly, a new processing technique was tested, taking into account the physiological state of the subject during the exam to model the ASL signal during the vasoreactivity paradigm, and thus to provide more reliable maps at the subject level. Finally, these methods were applied in various studies on healthy subjects and patients. A decrease in vasoreactivity was found in Alzheimer disease patients compared to elderly subjects. Studies on patients with severe stenosis were conducted to test our methods at the subject level. An increase in CBF and a decrease in vasoreactivity in subjects exposed to high altitude at 4365 m during 7 days was demonstrated and correlated to transcranial Doppler results.

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.

L'angioscanner post-mortem (ATDMPM) est une technique en plein essor. Notre travail a consisté en l'application des protocoles d'ATDMPM sur plusieurs types de populations. D'abord, nous avons acquis une expérience, notamment concernant les décès par chute d'un lieu élevé. Puis, nous avons eu la chance de travailler sur une collection rare de cœurs archéologiques momifiés et très bien conservés, datant entre le XVème et le XVIIème siècle. Les résultats radiologiques, autopsiques et histologiques concordaient. Nous avons également étudié une momie artificielle bretonne bien conservée du XVIIème siècle, qui avait comme particularité un arbre aortique abdominal et iliaque intact, permettant de réaliser la première angiographie post-mortem d'une momie de plus de 350 ans. Enfin, nous avons tenté d'adapter le protocole adulte de l'ATDMPM aux enfants en utilisant le modèle porcin. Dans un premier temps, nous avons testé une modification des moyens d'injection, en remplaçant les canules chirurgicales par des introducteurs radiologiques. Forts de ces résultats, nous avons réalisé des ATDMPM sur un modèle porcin. Nous avons utilisé deux machines différentes. L'opacification vasculaire globale a été satisfaisante pour l'ensemble des groupes. La réalisation des ATDMPM avec la machine Virtangio(r) s'est révélée très difficile en raison du seuil limite de pression. Les tests de corrélation ont mis en évidence une relation significative entre les caractères anthropométriques des porcs, les paramètres d'injection et le pourcentage de segments opacifiés. Notre travail confirme ainsi la complémentarité entre les techniques classiques d'investigations post-mortem et l'imagerie moderne, avec ou sans injection de produit de contraste. Il permet également d'entrevoir un futur riche de recherche et d'interdisciplinarité dans les domaines de recherche archéologique, anthropobiologique, médico-légale et radiologique. / Post-mortem Computed Tomography Angiography (PMCTA) is a growing technique. Our work consisted in the application of the protocols of PMCTA on several types of populations. First, we gained experience regarding deaths in a context of great height falls. Then, we had the chance to work a rare collection of mummified archaeological hearts and very well preserved, dating between the XVth and XVIIth centuries. We also studied a well-preserved artificial mummy from French Brittany dating from the XVIIth century, characterized by an intact abdominal aortic and iliac tree. We applied the first PMCTA of a mummy of more than 350 years. Finally, we tried to adapt the adult protocol of PMCTA to children, using a porcine model. First, we tested a modification of the injection procedure by replacing the surgical cannulas by radiological introducers. Based on these results, we carried out a series of PMCTAs on pigs. We used two different machines. Overall vascular opacification was satisfactory for all groups. The realization of the MPMCTA with the Virtangio(r) machine proved very complex due to the upper limit of pressure. Spearman correlation tests showed a significant relationship between anthropometric characteristics of pigs, injection parameters and percentage of opacified segments. A higher percentage of opacification is obtained for individuals of smaller weights, with comparatively smaller quantities of contrast agent injected. Our work confirms the complementarities between classical techniques of post-mortem investigations and modern imaging, with or without injection of contrast media. It also allows us to foresee a rich future of research and interdisciplinarity in the fields of archaeological, anthropobiological, medico-legal and radiological researches.

L’arthrose est un véritable problème de santé publique. Plus de dix millions de personnes sont atteintes en France et 35 millions aux États-Unis. L’arthrose du genou représente 35% du nombre total d’arthrose avec plus de 1,3 million de patients en Europe. Il existe de nos jours plusieurs solutions permettant de traiter l’arthrose du genou, suivant le caractère dégénératif de la maladie, allant du traitement chirurgical conservateur, tel que l’ostéotomie supérieure du tibia, jusqu’au traitement chirurgical prothétique, tel que l’arthroplastie totale du genou. Le succès à long terme de ces interventions repose (1) sur le contrôle de l’alignement du membre inférieur au cours de l’intervention, réalisé par l’intermédiaire de l’angle HKA entre les centres hanche, genou et cheville, et (2) sur une planification chirurgicale permettant de préparer l’intervention, et notamment, définir la position optimale des coupes osseuses pour la mise en place d’une prothèse à partir de modèles 3D de l’os du patient issus d’images tomodensitométriques (TDM) ou IRM. Nous nous sommes intéressés, dans un premier temps, à l’étude et l’évaluation, dans un contexte clinique, de la précision et la robustesse des techniques utilisées en chirurgie assistée par ordinateur pour la localisation du centre hanche, nécessaire au calcul de l’angle HKA. Nous avons ainsi proposé une nouvelle méthode, mini-invasive, et particulièrement adaptée pour l’ostéotomie supérieure du tibia. Nous nous sommes ensuite intéressés aux méthodes de segmentation permettant d’extraire la surface osseuse du genou à partir d’IRM pour la phase de planification. Nous avons également proposé une nouvelle approche, automatique, qui se base sur des modèles actifs de forme ou Active Shape Model (ASM). Compte tenu des résultats très encourageants, l’intégration de nos contributions en routine clinique pourrait, potentiellement, améliorer le service médical rendu pour le traitement de l’arthrose du genou. / Osteoarthritis is a real public health problem. More than ten million people are affected by osteoarthritis in France and 35 million in the United States. Knee Osteoarthritis represents 35% of the total number of osteoarthritis with more than 1.3 million patients in Europe. Today, there are several solutions to treat knee osteoarthritis depending on the degenerative nature of the disease : from conservative surgical treatment, such as High tibia Osteotomy (HTO), to prosthetic surgical treatment, such as Total Knee arthroplasty (TKA). The long-term success of these interventions is (1) the control of the lower limb alignment, during the intervention, which can be obtained by measuring the HKA angle between the hip, the knee and the ankle centers, and (2) the surgical planning allowing the preparation of the intervention, and for instance, the definition of the optimal cuts for the placement of a knee prosthesis based on the 3D model of the patient bone obtained from computerized tomography (CT) or MRI. We were interested, first, in the study and evaluation, in a clinical context, of the accuracy and precision of the methods used in computer-assisted orthopedic surgery for the localization of the hip center. We have thus proposed a new minimally invasive method especially adapted to HTO. We were interested, then, to the segmentation methods allowing the extraction of the knee bony surface from MRI for the surgical planning. We have also proposed a new automatic approach based on active shape models (ASM). Given the very encouraging results, the integration of our contributions in the clinical routine could, potentially, improve the medical benefits for the treatment of knee osteoarthritis.

Dans ce travail de recherche doctorale, l’IRM des poumons à temps d'écho courts dite UTE (Ultra-short EchoTime) a été utilisée pour détecter le signal RMN du tissu pulmonaire afin de caractériser et étudier des modèlesexpérimentaux de maladies pulmonaires chez les rongeurs (rats et souris). En particulier, la technique radialeUTE a été appliquée pour détecter des biomarqueurs dans des modèles de broncho-pneumopathie chroniqueobstructive (BPCO) induite expérimentalement chez les rongeurs. La détection du signal RMN en provenancedu parenchyme pulmonaire a fourni de précieux indicateurs de la maladie associés à l'élargissement des alvéolespulmonaires et aux processus inflammatoires. De plus, la simplicité de mise en oeuvre de cette technique(absence de synchronisation cardiaque et pulmonaire) permet de réduire les temps d’acquisition et apparait bienadaptée aux études longitudinales. La mesure répétée du centre de l’espace-k à chaque temps de répétition de laséquence a été utilisée pour développer une méthode de post-synchronisation reposant sur la détection desmouvements cardio-respiratoires, et permettant de produire des images sans artefacts de mouvement. / In this work, ultra-short echo time (UTE) MR imaging of the lungs is presented as a way of detecting pulmonaryMRI signal, thus providing an opportunity to develop new imaging tools for the investigation of experimentalmodels of lung diseases in rodents. The UTE imaging technique (TE=450 μs) was implemented on a 4.7 Tscanner and applied to detect indicators of Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD) inducedexperimentally in rodents. The improved signal detection from the lung parenchyma provided valuable markersof disease associated with airspace enlargement and inflammation. When used to investigate of inflammationspecificity, this technique had advantages when delineating regions of early cellular infiltration into the site ofinflammation. In the case of edematous signal quantification, the UTE technique was explored to improve thereliability of the volumetric measurements. This technique was demonstrated to be of use when easy protocolimplementation (relatively high throughput and low-cost experiments) and longitudinal studies (limitedinterference with physiopathology) are of concern. The repetitive probing of the k-space center with a temporalresolution of the sequence's repetition time achieved with this technique was used to develop a self-gatingmethod which relies on the tracking of cardio-respiratory motions, yielding images free from motion artifacts.

L'ablation par radiofréquence constitue un des traitements des tachycardies ventriculaires, en association avec les drogues anti-arythmiques et l’implantation d'un défibrillateur. L’objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre le substrat arythmogène non seulement à l’aide d'imagerie cardiaque (IRM et scanner) de haute résolution et de cartographie de haute densité, en utilisant des cathéters multipolaires. Cela nous permettra d'analyser la relation structure-fonction. Nous avons étudié cette relation sur différents types de substrats (ICM, NICM, DAVD, et myocardites). Nous avons ainsi prouvé la supériorité de la cartographie de haute densité obtenue à partir de cathéters multipolaires, comparativement aux données recueillies par l’imagerie, dans l’identification de la cicatrice arythmogène et la détection des LAVA. La deuxième partie de cette thèse concerne l’étude du substrat arythmogène épicardique. Nous avons ainsi décrit la technique de cartographie par voie percutanée antérieure, puis démontré l'efficacité des procédures uniquement avec abord épicardique. La segmentation du nerf phrénique et des artères coronaires ont permis de diminuer le taux de complications théoriquement liés à cet abord. Nous avons poursuivi ce travail avec l’analyse des sites d'intérêt de l'ablation des TV: les LAVA. Après une description de la stratégie d’élimination des LAVA, nous avons tenté de trouver des prédicteurs permettant de localiser les sites de LAVA, à partir des données d'imagerie. Quand l'imagerie montre une cicatrice intraseptale ou intramurale, les LAVA ne peuvent pas être enregistrés avec la cartographie et des alternative techniques d'ablation sont nécessaires comme une ablation bipolaire, l'alcoolisation intra coronaire et l'ablation avec l'aiguille irriguée. Le dernier chapitre est une revue sur le futur de l'imagerie, de la cartographie et de l’ablation des tachycardies ventriculaires. Une meilleure compréhension du substrat arythmogène pourrait améliorer l'efficacité et la sécurité des ablations de tachycardie ventriculaire. / Radiofrequency (RF) catheter ablation is an effective treatment strategy for scar-related ventricular tachycardia (VT), resistant to anti-arrhythmic drugs and intracardiac defibrillator (ICD) placement. The goal of this thesis was to better understand and characterize the arrhythmogenic VT substrate in different cardiomyopathic processes: ischaemic cardiomyopathy (ICM), non-ischaemic cardiomyopathy (NICM), arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC) and myocarditis. For this purpose, we combined high resolution imaging including different modalities and high resolution electrical mapping to better understand the structure-function relationship. We focused on multiple different aspects of VT ablation as outlined below. The first part of this thesis focuses on the role of multipolar mapping catheters and imaging to analyze their structural and functional relationship. We demonstrated superiority of high density mapping with multipolar mapping on conventional mapping in detection of scar, channels, local abnormal ventricular activity (LAVA) and sensitivity for near field signals. The second part of this thesis focuses on ablation of epicardial VT substrate. We demonstrated the efficacy and safety of epicardial only procedures in a highly selected population. We used imaging to have access to the exact anatomy of the heart, to image the substrate but also to increase the safety of ablation procedures by imaging the phrenic nerve and the coronary artery system. The third part of this thesis focuses on analysis of the mapping and ablation of potential targets for scar-related VT ablation. Within this context, we identified predictors of interesting ablation (LAVA) sites based on preprocedural imaging. We also analyzed the role of alternative strategies such as bipolar ablation, ethanol ablation and irrigated needle ablation to ablate intramural and intraseptal substrate, 18 often resistant ablation targets. Overall, we demonstrate that novel imaging, mapping and ablation techniques potentially improve the outcome of VT ablation.

Le traitement des arythmies cardiaques par ablation radiofréquence est une procédure thérapeutique permettant de restaurer un rythme normal par destruction thermique des tissus arythmogènes. A l'heure actuelle, l'intervention est réalisée sans imagerie temps réel permettant de visualiser la lésion pendant l'ablation. La thermométrie IRM permet de mesurer la température du tissu en chaque pixel et d'estimer directement l'étendue de la lésion via le calcul de la dose thermique cumulée. Si cette technique est déjà établie pour guider l'ablation de tumeurs dans différents organes, elle reste difficile à mettre en œuvre sur le cœur, notamment à cause des mouvements de respiration et de contraction myocardique. Dans le cadre de cette thèse, une méthode de thermométrie cardiaque a été implémentée pour réaliser une cartographie temps réel de la température du myocarde en condition de respiration libre. Plusieurs séquences IRM rapides ont été développées pour permettre l'acquisition d'environ 5 coupes par battement cardiaque avec une taille de voxel de 1.6X1.6X3 mm3. Plusieurs solutions de réduction des mouvements hors plan de coupe ont été évaluées : positionnement des coupes dans le sens principal du déplacement, suivi dynamique de la position des coupes en fonction de l'état respiratoire (navigateur, mesure de la position du cathéter). Le mouvement résiduel et les artéfacts de susceptibilité associés sont corrigés par des algorithmes temps réels pour permettre une précision de la thermométrie IRM à ±2°C sur les ventricules. Ce protocole a été utilisé avec succès pour le suivi d'ablations radiofréquences chez la brebis (N=3), permettant une corrélation (R=0.87) entre la dose thermique et la taille réelle des lésions induites. Les résultats sont très prometteurs quant à la pertinence de cette mesure pour une estimation en ligne de l'étendue de la lésion pendant l'ablation. Ces méthodes permettent d'envisager une évaluation clinique à court terme. / Radiofrequency ablation is a therapeutic procedure for the treatment of cardiac arrhythmia by inducing a local necrosis of the arrhythmogenic tissue. This intervention is currently performed without online imaging of the lesion formation during radiofrequency delivery. MR thermometry provides a monitoring of temperature in the targeted tissue in each pixel and an immediate estimation of lesion via the calculation of the thermal dose. If this technique is well established for the guidance of tumor ablation in various organs, it remains challenging in the heart due to motion (breathing and myocardial contraction). In this work, a cardiac MR thermometry method was developed to perform a real-time temperature mapping of the heart under free-breathing conditions. Several MR pulse sequences were designed to ensure the acquisition of up to 5 slices per heartbeat with a voxel size of 1.6X1.6X3 mm3. Different solutions of minimization of out-of-plane motion were evaluated: alignment of the slices in the main direction of displacement, dynamic update of slice position depending on the respiratory state (echo-navigator, measure of the catheter position). Residual in-plane motion and associated susceptibility artifacts were corrected by real-time algorithms to allow a precision of MR thermometry of ±2°C in ventricles. This protocol was successfully used for the monitoring of radiofrequency ablation in sheep (N=3), allowing a correlation (R=87) between thermal dose maps and sizes of created lesions. These results are promising regarding the relevance of this measure for an inline estimation of the lesion extent during ablation.

Le dépistage du cancer colorectal par IRM à des stades précoces exige l'obtention des images avec une résolution spatiale suffisante. L'acquisition d'images de résolution spatiale submillimétrique peut être réalisée avec des capteurs endoluminaux placés au plus proche de la zone à explorer. Les développements de ce type de capteur ont été compromis par des aspects liés à la sécurité du patient en raison des échauffements localisés qui ont lieu avec une liaison galvanique reliant le capteur au système d'imagerie. Pour pallier ces problèmes de sécurité, nous proposons de développer un capteur magnétique déporté grâce à une transmission par fibre optique. Deux points importants doivent être traités pour réaliser ce capteur : le découplage actif de la boucle endoluminale et le transport optique de l'information RMN. Un système de découplage actif optique a été réalisé puis caractérisé sur banc et en IRM (in-vitro). Les résultats montrent que le découplage optique est efficace et ses performances sont comparables avec un système de découplage conventionnel. Le transport optique du signal RMN a été réalisé en couplant un cristal Electro-Optique à la boucle résonnante endoluminale. Ce cristal permet une modulation de l'état de polarisation du faisceau optique. Les résultats de caractérisation du capteur en termes de linéarité, dynamique et sensibilité sur un banc optique montrent sa faisabilité / Detection of colorectal cancer by MRI at its early stages requires images with high spatial resolution. Submillimetric spatial resolution images can be achieved with MRI endoluminal receiver coil placed as close as possible to the region of interest. However using this type of receiver is always limited by security issues related to patient safety due to localized heating which appear with a galvanic connection between the receiver coil and the imaging system. To address this problem, we propose to develop an non-invasive optically deported characterization of NMR Radiofrequency signal. Two important points need to be addressed to achieve this receiver: active endoluminal loop decoupling and optical signal transport. A system of active optical decoupling has been achieved and characterized on bench and in MRI (in-vitro). The results show that the optical decoupling is efficient and its performance is comparable to a conventional decoupling system. The optical transmission of the NMR signal has been achieved by associating a passive Electro-Optical crystal transducer to the resonant receiver coil. This crystal allows a modulation of the polarization state of the laser probe beam. The results of sensor’s characterization on an optical bench concerning its linearity, its sensitivity and its dynamic, show the feasibility

L’accident vasculaire cérébral ischémique (AVCi) représente un véritable enjeu de santé publique avec des taux de mortalité et des coûts de prise en charge élevés. L’établissement d’un diagnostic rapide et précis basé sur les signes cliniques et les résultats de l’imagerie médicale est nécessaire pour la prise de décision thérapeutique (thrombolyse ou plus récemment la thrombectomie mécanique). Conformément aux recommandations actuelles, l’IRM est la modalité d’imagerie de première intention à réaliser pour confirmer la suspicion d’AVCi. La réalisation d’une thrombolyse est notamment guidée par l’existence d’une discordance (ou « mismatch ») diffusion-perfusion, déterminée à partir de deux séquences distinctes, associée à un meilleur pronostic pour le patient. La séquence IVIM (« Intravoxel Incoherent Motion») permet l’étude simultanée de la diffusion et de la microcirculation à partir de l’analyse biexponentielle du signal issu d’une unique séquence de diffusion sensibilisée à la perfusion. Par conséquent, cette séquence présente un fort potentiel pour le diagnostic de l’AVCi. Le travail méthodologique de cette thèse a consisté en l’optimisation des acquisitions et des traitements de données pour l’imagerie quantitative simultanée de la diffusion et de la perfusion cérébrale avec la méthode IVIM. Dans un premier temps, le modèle biophysique conventionnel et les acquisitions de la séquence IVIM ont été validés dans le cadre d’une étude sur sujet sain, en comparaison aux mesures de perfusion obtenues avec l’ASL (Arterial Spin Labeling). Dans un deuxième temps, le modèle conventionnel a été modifié pour la prise en compte du comportement non-gaussien de la diffusion dans le parenchyme cérébral à l’aide d’un paramètre quantitatif supplémentaire, le kurtosis (modèle DKI-IVIM). Ce modèle a été validé expérimentalement avec une étude sur sujet sain en comparaison au modèle standard biexponentiel IVIM. Enfin, la méthodologie développée a été mise en œuvre dans un cadre clinique sur cinq patients souffrant d’AVCi. Les résultats préliminaires obtenus démontrent l’efficacité de la méthode DKI-IVIM pour le diagnostic de l’AVCi en phase aigüe, en comparaison avec la méthode conventionnelle diffusion-perfusion ASL avec l’estimation du paramètre supplémentaire du kurtosis permettant une meilleure caractérisation de l’atteinte parenchymateuse. / Ischemic stroke is a serious neurological disease of public health concern that constitutes a major cause of death and high costs of medical care. A quick and accurate diagnosis based on both clinical signs and medical images is necessary for the therapeutic decision (thrombolysis or mechanical thrombectomy). In accordance with the current recommendations, MRI is the primary intention modality to perform in order to confirm the ischemic stroke suspicion. The choice of a thrombolysis treatment is guided by the presence of a diffusion-perfusion mismatch, determined with two different sequences, and is associated with a better life outcome for the patient. The IVIM (« Intravoxel Incoherent Motion ») MRI sequence allows for the simultaneous diffusion and microperfusion quantification with the biexponential analysis of the diffusion signal obtained by a diffusion sequence sensitized to perfusion. This sequence could be of great interest for the ischemic stroke diagnosis. The methodological aspects implemented during this thesis consisted of the optimization of the acquisitions and data processing of IVIM imaging for quantitative assesments of cerebral diffusion and perfusion. First of all, the conventional biophysical model and IVIM sequence acquisitions were implemented and validated with a study on healthy subjects, in comparison with perfusion assesments obtained using ASL (Arterial Spin Labeling). Secondly, the conventional model was modified to consider the non-gaussian diffusion behavior in tissues with an additional quantitative parameter estimation, the kurtosis (DKI-IVIM model). This new model was also validated with a study on healthy subjects in comparison with the standard biexponential IVIM model. Finally, this method was applied in a clinical setting on five stroke patients. The preliminary results demonstrated the DKI-IVIM method efficiency for the acute ischemic stroke diagnosis when compared with the conventional diffusion-ASL perfusion with the additional estimation of the kurtosis for a better lesion characterization.