Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquent chez les hommes. Son développement entraine une néo-angiogénèse qui modifie le réseau capillaire. Il est reconnu que l'IRM dynamique (DCE-MRI) est capable de distinguer ces modifications de la microcirculation physiologique. Cependant, ces images restent difficiles à analyser et à interpréter en routine clinique. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la mise en place de méthodes robustes pour l'analyse de ces images. Dans un premier temps, nous traitons les méthodes de quantifications des paramètres pharmacocinétiques. Ainsi, une plateforme logicielle a été construite autour du modèle multi-étapes de Tofts. La validation technique a été conduite en utilisant des images simulées avec connaissance de la vérité de terrain de la distribution des lésions. La validation clinique est en cours dans le service de Radiologie de l'Hôpital Claude Huriez du CHRU de Lille. Parallèlement, nous avons exploré l'application des techniques de traitement des données pour l'analyse non paramétrique et non supervisée des courbes temps-intensités. Nous avons développé une approche originale basée sur la classification spectrale. Cette méthode, basée sur la théorie des graphes, permet le regroupement des signaux après transformation de l'espace de représentation. Par la suite, ces groupes de données peuvent être étiquetés par comparaison avec un signal artériel qui sert de référence. Les expérimentations préliminaires conduites sur les données simulées ainsi que sur des données cliniques montre la faisabilité de l'approche. Les deux approches développées sont complémentaires, l'une donnant des paramètres quantitatifs et l'autre permettant de segmenter les zones cancéreuses. / Prostate cancer is the most common cancer among men. Its developments leads to a neo-angiogenesis that changes the capillary network. It is recognized that the DCE-MRI is able to distinguish these physiological changes in microcirculation. However, the images are difficult to analyze and interpret. In this thesis, we were interested by the development of robust methods for the analysis of these images. Initially, we were focused on pharmacokinetic parameters quantification methods. A software platform was constructed to implement the multi-step Tofts model. Technical validation was performed using simulated images with knowledge of the ground truth. Clinical validation is in progress in the Radiology department of Lille University Hospital. In parallel, we have explored the application of nonparametric and unsupervised techniques of data processing for time-intensity curve analysis. We have developed an original approach based on spectral classification. This method, based on graph theory, allows the grouping of signals after transformation of the space of representation. Subsequently, these groups of data can be labeled by comparison to the arterial signal serving as reference. Preliminary experiments conducted on simulated data as well as clinical data show the feasibility of the approach. The two approaches are complementary, one giving quantitative parameters and the other segmenting the cancerous areas.

Cette thèse présente une méthodologie appliquée à la caractérisation de la dynamique de structures déformables sur des séquences temporelles (2D+t). Des indicateurs sont proposés pour estimer la mobilité de formes non-rigides, à partir de leurs contours. Deux approches complémentaires sont développées: En premier lieu, les descripteurs de forme sont utilisés pour quantifier les déformations globales des formes, et pour estimer des repères géométriques spécifiques. La deuxième approche repose sur l'appariement difféomorphique pour déterminer une paramétrisation unifiée des formes, afin de décrire les déformations. Une évaluation permet d'apprécier la qualité des indicateurs en termes de coût algorithmique, de robustesse face aux données altérées, et de capacité à différencier deux séquences.Cette approche de caractérisation est appliquée à des séquences IRM dynamiques de la cavité pelvienne, où les principaux organes pelviens (vessie, utérus-vagin, rectum) ont une grande variabilité morphologique, ils se déplacent et se déforment. Cette caractérisation est validée dans le cadre de deux applications. L'analyse statistique effectuée sur un ensemble de séquences permet de mettre en évidence des comportements caractéristiques des organes, d'identifier des références anatomiquement significatives, et d'aider à l'interprétation des diagnostics des organes. Aussi, dans le contexte de la réalisation d'une modélisation de la dynamique pelvienne patiente-spécifique, la caractérisation vise à évaluer quantitativement la précision de la modélisation, en utilisant l'IRM dynamique comme vérité-terrain. Ainsi, elle apporte des indications sur la correction des paramètres du modèle. / This thesis presents a methodology for the characterization of the dynamics of deformable structures on time-series data (2D+t). Some indicators are proposed in order to estimate non-rigid shape variations from their contours. Two complementary approaches are developed : First, shape descriptors are used to quantify the global deformations of the shapes, and to estimate specific geometric references. The second approach relies on the diffeomorphic mapping to determinate a unified parametrization of the shapes. Then, features are used to describe the deformations locally. Furthermore, the methodology has an evaluation step which consists in the assessment of the quality of the indicators in the algorithmic complexity, in the stability against data with a small variability, and in the ability to differentiate two sequences.The characterization is applied to dynamic MRI sequences of the pelvic cavity, where the main pelvic organs (bladder, uterus-vagina, rectum) have a high morphological variability, they undergo displacements and deformations. The characterization is validated within the context of two applications. Firslty, a statistical analysis is carried out on a set of sequences. It allows to highlight some properties of the organ behaviors, and to identify meaningful anatomical landmarks. The analysis helps also for the automatic interpretation of the organ diagnoses. Secondly, within the context of the development of a patient-specific pelvic dynamics modeling system, the characterization aims at assessing quantitatively the modeling precision. It uses the dynamic MRI as a ground truth. Thereby, it brings some clues about the correction of the model parameters.

Le Syndrome d’Apnée Obstructive du Sommeil affecte 4 à 6 % de la population en France soit près de 3 millions de personnes. Toutefois, les techniques de diagnostic usuelles ne permettent pas de déterminer de façon précise les sites d’occlusion ni de décrire les interactions fluide-paroi qui jouent un rôle important dans les processus de fermeture des voies aériennes supérieures. Au cours de ce travail, un ensemble d’outil a été mis en œuvre pour explorer les mécanismes sous-jacents conduisant à une apnée obstructive. La détermination géométrique et la caractérisation mécanique des voies aériennes supérieures, d’une part, la mesure des écoulements dans ces dernières, d’autre part, ont été réalisées par imagerie par résonance magnétique de l’hydrogène, pour les tissus, de l’hélium-3 et du fluor-19 pour les gaz. Les données obtenues ont été exploitées tout d’abord dans un modèle numérique statique pour estimer les lois d’état locales et caractériser la compliance des voies aériennes supérieures, puis, dans un modèle monodimensionnel, prenant en compte l’interaction fluide-structure et la limitation de débit au cours de l’inspiration, pour localiser les sites potentiellement responsables d’un éventuel collapsus. Par ailleurs, les écoulements de gaz d’hélium-3 et d’hexafluorure de soufre ont été simulés afin de déterminer le potentiel de ces deux modalités d’imagerie de gaz pour l’étude des obstructions des voies aériennes. La faisabilité d’une imagerie statique et dynamique par résonance magnétique du fluor a été démontrée. Avec une densité du gaz traceur bien plus importante, cette dernière technique présente une plus grande sensibilité à l’obstruction. Cette thèse ouvre ainsi une nouvelle voie de diagnostic et de guide thérapeutique personnalisé pour ce syndrome. / Obstructive Sleep Apnea (OSA) is a common disorder occurring in almost 3 million French people. However, current diagnosis methods are not sufficient to precisely define obstructing sites and doesn't take into account the fluid structure coupling which plays an important role during upper airway closing. During this thesis, we developed a series of tools exploring upper airway closing process. On the one hand, a screening tool of the structure and the mechanical properties of the upper airway, and on the other hand, a screening tool exploring with dynamic images of inert gases flow into the upper airway, were obtained using conventional hydrogen MRI coupled to magnetic resonance elastography (MRE) and helium-3 or fluor-19 gases MRI, respectively. Geometric and biomechanical data obtained using MRI/MRE are injected into a numerical model given the compliance and the state law of upper airway. Contributions of anatomical restriction on airway collapse are also investigated using a multi-compartmental two-dimensional fluid structure interaction model during a breath inspiration to predicted airway mechanical changes and collapse pressures. Furthermore, helium 3 and sulfur hexafluoride flow was modeled at steady state using commercial finite volume software to evaluate potential feasibility to image upper airway collapsibility during OSA. First dynamic MR imaging using sulfur hexafluoride (SF6) was obtained showing the feasibility of this technique. Using SF6, 6 times denser than air, shows a higher sensibility to upper airway obstruction. This thesis opens a new imaging modality to probe and to diagnose upper airway obstruction.

La paralysie cérébrale (PC) est la première cause de l’handicap moteur de l’enfant en France (2 naissances pour 1000). Il s’agit d’une pathologie causée par des atteintes non progressives survenues lors du développement du cerveau chez le foetus ou le nourrisson. L’équin de la cheville est la déformation musculo-squelettique la plus fréquente chez les enfants atteints par la PC. Malgré des thérapies médico-chirurgicales multiples, le taux de récidive post-opératoire demeure très élevé(48%). Une des principales raisons des échecs des thérapies est le manque de connaissance de la biomécanique articulaire et musculaire. Les techniques d’imagerie en IRM dynamique permettent aujourd’hui d’explorer l’appareil musculo-squelettique au cours du mouvement dans les 3 dimensions de l’espace avec une grande précision (<1mm). Cependant, ces techniques viennent avec leur propre liste de problèmes tels que la résolution réduite, l’anisotropie et les artefacts de mouvement. Dans cette thèse, nous abordons ces problèmes en combinant l’information spatiale de l’IRM conventionnel avec l’information temporelle fournie par les séquences IRM dynamique. Nous avons réussi à atteindre l’objectif principal de ces travaux de recherche en développant des algorithmes robustes combinant des aspects informatiques et mathématiques (dont le recalage d’images basé sur l’intensité était le facteur clé) qui nous ont permis de reconstruire les mouvements articulaires et donc d’établir une analyse biomécanique de la cheville en plus de la reconstruction spatio-temporelle de la séquence dynamique en utilisant une approche logeuclidienne. Les algorithmes proposés ont été appliqués sur la base de données actuellement disponible (contenant 6 sujets normaux) et devraient être également appliqués sur une base plus large contenant des sujets pathologiques de la même tranche d’âges afin de comparer les deux populations et de caractériser la pathologie. / Cerebral Palsy (CP) is a common birth pathology in children leading to ankle joint deformity, also known as the Spastic Equinus (SE) deformity, which causes abnormal function of the joint. While the management of ankle disorders focuses on restoring the joint functions, the underlying pathomechanics is not clearly understood yet. To better understand the biomechanics of the pediatric ankle joint, it is crucial to establish in vivo normative joint biomechanics before focusing on pathomechanics studies. Dynamic MRI has made it possible to non-invasively capture the ankle joint during a complete motion cycle. However, dynamic MRI comes with its own set of unique challenges such as low resolution, anisotropy, and motion artifacts. This motivates our choice for combining spatial information of conventional static MRI with temporal information of dynamic MRI sequences. The global aim of this research work is to build computational frameworks and to develop robust intensity-based approaches for estimating the joint motion and deformations from 3D+t MRI data, and thus for deriving the joint kinematics and the joint contact mechanics during a single cycle of dorsiplantarflexion. Due to a lack of sufficient Imaging data in the pediatric cohort, the proposed algorithms are applied on dynamic MRI data (portraying both passive and active ankle motions) from 6 healthy children.

L’insuffisance placentaire par défaut de vascularisation est une pathologie fréquente de la grossesse, de diagnostic difficile, avec des complications potentiellement graves (retard de croissance intra utérin, prééclampsie). L’objectif de ce travail de Thèse a été de développer l’IRM fonctionnelle multiparamétrique pour l’exploration du placenta à 4.7 T chez la rate gestante. Matériel et méthode : L’IRM de diffusion (SE- EPI DWI) avec analyse IVIM et l’IRM dynamique avec injection de gadolinium (DCE) et haute résolution temporelle (< 1s) ont été développées puis étudiées sur un modèle murin contrôlé d’hypoperfusion placentaire par ligature du pédicule vasculaire utérin gauche au 17ème jour de gestation. Les paramètres obtenus sur les placentas hypoperfusés de la corne gauche ligaturée étaient comparés à ceux des placentas normaux de la corne droite. L’effet de l’hyperoxygénation maternelle était étudié en diffusion. Résultats : Ont été étudiés 73 placentas, dont 23 pathologiques (n= 10 rates) en diffusion et 53 placentas, dont 11 pathologiques (n=12 rates) en DCE. Les paramètres significativement diminués du côté hypoperfusé étaient le coefficient apparent de diffusion (ADC), la fraction de perfusion (f) en diffusion et le flux sanguin maternel (F) en DCE. Sous hyperoxygénation maternelle, l’ADC et le coefficient de diffusion (D) augmentaient et f diminuait. Les paramètres obtenus en diffusion et en DCE n’étaient pas nettement corrélés entre eux. Conclusion : Un outil d’IRM fonctionnelle placentaire multiparamétrique a été développé à 4.7 T chez la rate gestante. La DWI comme la DCE apparaissent complémentaires pour le diagnostic d’hypoperfusion placentaire. / Placental insufficiency caused by deficient vascularization is common during pregnancy, difficult to diagnose and can lead to severe materno-fetal complications (intrauterine growth restriction, preeclampsia). The aim of this work was to develop multi-parametric functional magnetic resonance imaging (MRI) to assess the placenta at 4.7 T on a murine model. Materials and methods : Diffusion-weighted imaging (SE-EPI-DWI) with the intravoxel incoherent motion (IVIM) analysis and dynamic contrast enhanced MRI (DCE) with a high-time resolution (<1 s) were developed and evaluated on a controlled rat model of reduced placental perfusion, achieved by ligation of the left uterine vascular pedicle on the 17th embryonic day. Parameters from the placentas in the left ligated horn were compared to those from the normal placentas in the non ligated horn. The effect of maternal hyperoxygenation on placental microvascularization was studied with DWI.Results: For DWI, 73 placentas were examined, 23 from the ligated side (n=10 rats). For DCE, 53 placentas were analysed, 11 from the ligated side (n=12 rats). In the uterine horn with reduced perfusion, the apparent diffusion coefficient (ADC), the perfusion fraction (f) obtained with DWI and the placental blood flow (F) obtained with DCE were significantly decreased. Under maternal hyperoxygenation, ADC and the diffusion coefficient (D) increased whereas f decreased. DWI and DCE parameters were not significantly correlated with each other. Conclusion: Multi-parametric MRI has been developed for murine placental analysis at 4.7T. DWI and DCE are complementary tools for the diagnosis of reduced placental perfusion.