Les arcs impulsionnels sont des arcs électriques établis d'une façon générale lors de la séparation entre deux contacts électriques. Ces arcs indésirables mais inévitables peuvent causer des dégâts en raison d'un important transfert d'énergie vers les électrodes. Lors de l'interaction entre l'arc et l'électrode, cette dernière s'érode entraînant une contamination plus ou moins importante du plasma par les vapeurs des éléments issues de cette érosion et pouvant conduire à une modification notable de ses propriétés. Le travail présenté dans ce mémoire consiste à étudier par une approche expérimentale une configuration d'arc impulsionnel. La première étape indispensable à cette étude est la conception et la réalisation d'un dispositif spécifique permettant de simuler et de caractériser ce type d'arc. Des techniques de diagnostic adaptées au dispositif utilisé ont été développées dans ce travail. Les caractéristiques physiques du plasma (température, densité électronique...) déterminées par spectroscopie optique d'émission associées aux caractéristiques électriques de l'arc ont été corrélées avec les résultats de la visualisation effectuée par imagerie rapide de l'érosion de l'électrode et de la géométrie de l'arc durant son extinction. Des travaux spécifiques sur l'évolution de la tension totale d'arc en régime transitoire ont été réalisés en détaillant les chutes de tension aux électrodes et à la colonne. Par ailleurs des mesures spectroscopiques ont montré l'influence de divers paramètres (nature de l'anode, amplitude et forme de l'onde de courant) sur la température du plasma. Nous avons ainsi mis en évidence que les propriétés du plasma pour une configuration donnée, ne dépendent pas uniquement de la valeur instantanée du courant mais sont également fonctions de l'état antérieur de l'arc / The impulse arcs are electric arcs established generally during the separation between electrical contacts. These undesirable and unavoidable arcs can cause damage because of an important energy transfer to the electrodes. During the arc-electrodes interaction, electrodes erosion may involve an important contamination of the plasma by the vapors of the materials resulting from this erosion and may lead to a notable modification of its properties. The work presented in this thesis is an experimental approach of impulse arc configuration. The first essential stage to this study is the design and the realization of a specific device to simulate and characterize this kind of arc. Techniques of diagnostic adapted to the device were developed in this work. The plasma characteristics (temperature, electron number density...) determined by optical emission spectroscopy associated with the electrical characteristics of the arc were correlated with the results of the fast imaging visualization of the electrode erosion and of the arc geometry during its extinction. A specific study was developed to precisely determine the evolution of the arc voltage in transient state, separating the electrode voltage drop from the plasma column voltage. Spectroscopic measurement showed the influence of various parameters (nature of the anode, current pulse) on the plasma properties. In particular we put in evidence that these properties are not only dependent on the instantaneous value of the current, but depend also on the previous arc story

La tractographie et stimulation peropératoire optimiseraient l'exérèse tumorale en conservant la qualité de vie. Les principes du tenseur de diffusion, de la tractographie et de la stimulation cérébrale sont présentés. Une étude de la tractographie des radiations optiques et sa validation sur un modèle lésionnel ont permis de confirmer la faisabilité de la reconstruction. Parmi les algorithmes testés, le plus performant était le " Tensor Line " prédisant un risque de quadranopsie lorsque plus de 5 pour cent des trajectoires avaient une intersection avec le volume lésionnel. La 2ème partie portait sur les processus cognitifs du langage dont la traduction, en stimulation corticale lors de chirurgies éveillées pour 7 patients bilingues. Vingt six zones d'interférences de tâches ont été retrouvées mais aucune n'était spécifique de la traduction qui reste complexe à étudier. Enfin, les perspectives d'intégration de ces 2 techniques sont évoquées à travers 3 cas cliniques. / Tractography and intraoperative stimulation would optimize tumor resection preserving the quality of life. The principles of diffusion tensor, tractography and brain stimulation are shown. A study of tractography of optic radiation and validation on a lesion model was able to confirm the feasibility of the reconstruction. Among the tested algorithms, the most effective was the "Tensor Line" predicting a risk of quadrantanopia when more than 5% of the trajectories have an intersection with the lesion volume. The second part focused on the cognitive process of language whose translation by cortical stimulation during awake surgery for 7 bilingual patients. Twenty-six interference tasks area were found but none was specific to the translation, which is complex to study. Finally, the prospects for integration of these 2 techniques are discussed through three clinical cases.

La conception des sondes ultrasonores pour l’imagerie médicale est traditionnellement basée sur l’utilisation de matériaux piézoélectriques. Depuis quelques années, est apparue la technologie des CMUTs, (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). Ces microsystèmes électromécaniques se présentent comme une alternative attractive à la piézoélectricité, offrant la possibilité d’explorer de nouveaux designs de sonde, et d’expérimenter de nouveaux modes d’imagerie. Ce travail s’inscrit dans une dynamique de développement et d’évaluation des sondes CMUTs, de la modélisation à la démonstration par l’image. Des transducteurs multi-éléments CMUTs ont ainsi été conçus, et des prototypes de sondes d’échographie finalisés ont pu être réalisés, ce en adaptant les développements à la transduction capacitive et aux systèmes d’imagerie conventionnels. Leurs comportements électroacoustiques et acoustiques ont été étudiés et comparés à des sondes standards. Finalement, des démonstrations par l’image ont été apportées, et les points forts de cette technologie pour l’imagerie médicale ont pu être établis. / Fabrication of ultrasound probes for medical imaging conventionally exploits piezoelectric based materials. CMUTs technology (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers) has emerged about a decade ago. These electromechanical micro-systems are presented as an alternative transduction mode, and gives new opportunities for probe design and novel imaging techniques. This dissertation aims to develop and review CMUTs probes for ultrasound imaging, from modeling to imaging demonstration. Multi-elements transducers with CMUT technology have been thus developed, and ultrasound probes were successfully achieved. Developments have been carried out, taking care of both capacitive transduction and standard ultrasound systems. Electro-acoustic and acoustic behavior were evaluated and compared to the state of the art piezoelectric probes. Finally, quantitative imaging assessments have been performed and have pointed out the strengths of CMUT technology for ultrasound imaging

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La bonne prise en charge des tumeurs repose sur un diagnostic précoce et une thérapie ciblée efficace. Nousétudions dans ce projet trois outils théranostiques, différents par leur origine et par leurs caractéristiques, afin dedémontrer leur intérêt pour l’imagerie et la thérapie des tumeurs.Le premier est un outil biologique, les cellules souches mésenchymateuses humaines connues pour leur tropismenaturel pour les sites inflammatoires et/ou hypoxiques, qui devrait donc leur permettre d’atteindre les tumeurs.Le deuxième outil consiste en des nanoparticules fonctionnalisées ou non avec un ligand ciblant les cellulestumorales, délivrées sous forme de spray dans les poumons. Cette méthode présente l’avantage de développer unoutil peu invasif pouvant être administré chez un patient présentant un cancer du poumon disséminé.Le dernier est un outil synthétique, bien défini structurellement, synthétisable de manière reproductible, de petitetaille, qui, après une administration par voie systémique cible les cellules tumorales primaires ou métastasées.Mes travaux permettent de mettre en évidence que, bien que les cellules souches mésenchymateuses ne soientpas de bons vecteurs pour le diagnostic et pour véhiculer un agent vers la tumeur, elles permettent de normaliserla vascularisation tumorale et de réorganiser les flux sanguins au sein de la tumeur. Ceci présente un éventuelintérêt thérapeutique, bien que complexe à mettre en application, qui pourrait ouvrir la porte à un pré-traitement« normalisateur » de la vascularisation tumorale.L’étude sur les nanovecteurs aérosolisés montre qu’ils peuvent être utiles, non seulement pour le ciblage tumoralpassif mais également pour le ciblage actif lorsqu’ils sont greffés avec un anticorps monoclonal spécifique descellules tumorales puisqu’ils permettent de détecter des nodules tumoraux répartis dans les poumons. De plus, leCetuximab utilisé ici comme agent de ciblage acquiert des propriétés nouvelles lorsqu’il est présenté sur desnanoparticules et permettrait de diminuer la résistance des cellules tumorales au traitement.Enfin, la petite molécule synthsétique PoroCombo que nous développons à partir de nos travaux antérieurs sur levecteur RAFT-RGD semble être la plus appropriée des trois pour délivrer une drogue dans le cytoplasme descellules après injection par voie systémique. De plus, cette molécule présente une triple activité anti-tumoraleavec l’induction de la mort cellulaire ainsi qu’un effet anti-angiogénique et le possible déclenchement d’uneréaction immunitaire anti-tumorale.Les trois « biovecteurs » étudiés ouvrent la porte vers un grand nombre d’applications permettant d’améliorer laprise en charge des tumeurs. / A good tumor treatment relies on an early diagnosis and an efficient targeted therapy.Three theranostic tools are studied, each one having a different origin and different properties, in order to showtheir interest for tumor’s imaging and therapy.The first tool is a biologic one, human mesenchymal stem cells (MSC) having a natural tropism towardinflammatory and/or hypoxic sites, which should permit them to reach tumors.The second one is nanoparticles, functionnalized or not with an antibody targeting tumor cells, delivered by alung spray. By this method we develop a non-invasive tool to treat patients with a disseminated lung tumor.The last one is a synthetic small sized theranostic tool with a reproducible synthesis, which, after a systemicadministration, targets primary and metastatic tumor cells.By my work, I show that even if MSC are not good vectors for diagnosis and delivery of therapeutic agents tothe tumors’ sites, they normalize tumors’ vessels, improving blood flow inside the tumor. This property presentsa real therapeutic interest, by pre-treating tumors before using chemotherapy.The study of aerosolized nanovectors reveals their interest for passive tumor targeting and for an active onewhen grafted with a specific monoclonal antibody as they permit the detection of tumor nodules disseminated inthe lungs.More, the targeting agent Cetuximab acquires new properties when grafted on nanoparticles permitting todecrease tumor cells resistance to the treatment.Finally, the small synthetic molecule PoroCombo developed from our previous work on RAFT-RGD vectors,seems to be the most appropriated to deliver a molecule in the cell’s cytoplasm after a systemic administration.This molecule has three anti-tumor activities by inducing cell death, by inducing anti-angiogenic impact and bytriggering anti-tumor immune reaction.The three studied “biovectors” reveal large applications to improve tumors’ treatment.Key words:

Cette thèse porte sur la segmentation des tumeurs du foie sur des images tomodensitométriques. Ce sujet présente un intérêt certain pour le domaine médical puisque les médecins pourraient ainsi bénéficier d’une méthode reproductible et fiable pour segmenter de telles lésions. Une segmentation précise des tumeurs du foie permettrait en effet d’aider les médecins lors de l’évaluation des lésions (détection, localisation, quantification), du choix d’un traitement, et de sa planification. Les méthodes développées dans ce cadre doivent faire face à trois principales difficultés scientifiques: (i) la grande variabilité de l’apparence et de la forme des structures recherchées, (ii) leur ressemblance avec les régions environnantes et finalement (iii) la faiblesse du rapport signal sur bruit observé dans les images dans lesquelles on travaille. Ce problème est abordé dans une optique d’application clinique et est résolu en suivant une approche en deux temps commençant par le calcul d’une enveloppe du foie, avant de segmenter les tumeurs présentes à l’intérieur de cette enveloppe. Nous commençons par proposer une approche basée sur des atlas pour le calcul d’une enveloppe des foies pathologiques. Tout d’abord, un outil de traitement d’image a été développé pour calculer une enveloppe autour d’un masque binaire, afin d’essayer d’obtenir une enveloppe du foie à partir d’une estimation du parenchyme sain. Un nouvel atlas statistique a ensuite été introduit, puis utilisé pour la segmentation à travers son recalage difféomorphique avec une image. La segmentation est finalement réalisée en combinant les coûts d’appariement des images avec des a priori spatiaux et d’apparence, le tout en suivant une approche multi échelle basée sur des MRFs. La deuxième étape de notre approche porte sur la segmentation des lésions contenues dans ces enveloppes en combinant des techniques d’apprentissage par ordinateur avec de méthodes basées sur des graphes. Un espace d’attributs approprié est tout d’abord défini en considérant des descripteurs de textures déterminés à travers des filtres de diverses tailles et orientations. Des méthodes avancées d’apprentissage automatique sont ensuite utilisées pour déterminer les attributs pertinents, ainsi que l’hyperplan qui sépare les voxels tumoraux des voxels correspondant à des tissus sains dans cet espace d’attributs. Pour finir, la segmentation est réalisée en minimisant une énergie sous forme de MRF, laquelle combine les probabilités d’appartenance de chaque voxel à une classe, avec celles de ses voisins. Des résultats prometteurs montrent les potentiels de notre méthode / This thesis is dedicated to 3D segmentation of liver tumors in CT images. This is a task of great clinical interest since it allows physicians benefiting from reproducible and reliable methods for segmenting such lesions. Accurate segmentation would indeed help them during the evaluation of the lesions, the choice of treatment and treatment planning. Such a complex segmentation task should cope with three main scientific challenges: (i) the highly variable shape of the structures being sought, (ii) their similarity of appearance compared with their surrounding medium and finally (iii) the low signal to noise ratio being observed in these images. This problem is addressed in a clinical context through a two step approach, consisting of the segmentation of the entire liver envelope, before segmenting the tumors which are present within the envelope. We begin by proposing an atlas-based approach for computing pathological liver envelopes. Initially images are pre-processed to compute the envelopes that wrap around binary masks in an attempt to obtain liver envelopes from estimated segmentations of healthy liver parenchyma. A new statistical atlas is then introduced and used to segmentation through its diffeomorphic registration to the new image. This segmentation is achieved through the combination of image matching costs as well as spatial and appearance priors using a multiscale approach with MRF. The second step of our approach is dedicated to lesions segmentation contained within the envelopes using a combination of machine learning techniques and graphbased methods. First, an appropriate feature space is considered that involves texture descriptors being determined through filtering using various scales and orientations. Then, state of the art machine learning techniques are used to determine the most relevant features, as well as the hyperplane that separates the feature space of tumoral voxels to the ones corresponding to healthy tissues. Segmentation is then achieved by minimizing an MRF energy that combines class probabilities and neighbor constraints. Promising results demonstrate the potentials of our method

Les pathologies cardiovasculaires et leurs conséquences représentent actuellement un problème de santé publique majeur dont la prise en charge pourrait être considérablement améliorée par le développement de nouvelles méthodes de diagnostic non invasives. Ce projet doctoral vise à développer des microparticules polysaccharides injectables dans la circulation sanguine permettant l’imagerie moléculaire des pathologies artérielles. Grâce à un procédé d’émulsion-réticulation, nous avons synthétisé ces microparticules qui sont d’une part fonctionnalisées avec du fucoïdane afin de pouvoir cibler la P-Sélectine qui est une molécule d’adhésion exprimée au niveau de la paroi artérielle lésée, et d’autre part, conjuguées à des agents de contraste afin d’apporter un signal en imagerie. Nous avons alors développé 2 outils d’imagerie moléculaire propres à 2 modalités classiques d’imagerie médicale. Afin de suivre les microparticules en tomographie par émission monophotonique de positons (TEMP), nous les avons radiomarquées avec du technétium 99m et pour les détecter en imagerie par résonance magnétique (IRM), nous les avons chargées avec des nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques. Nous avons ensuite validé l’efficacité de ces 2 outils d’imagerie moléculaire avec des essais précliniques en imagerie in vivo chez le petit animal sur des modèles de pathologies artérielles. Les résultats obtenus sont très encourageants et ces 2 outils d’imagerie moléculaire ont un fort potentiel clinique pour le diagnostic des pathologies artérielles. Nous avons également observé que les microparticules migrent dans la paroi artérielle dégradée au niveau des pathologies étudiées. Cette propriété singulière pourrait s’avérer très intéressante pour les futurs travaux qui consisteront à utiliser ce support pour véhiculer des molécules thérapeutiques au cœur des différentes pathologies artérielles. / Cardiovascular diseases and their consequences constitute nowadays a major health issue. Their treatment could be substantially improved with the development of new non invasive diagnostic techniques. The aim of this doctoral project is to develop injectable into blood stream polysaccharide microparticles that would permit molecular imaging of arterial pathologies. From an emulsion- crosslinking process, we synthesized these microparticles which are on the one hand functionalized with fucoidan to target P-Selectin which is expressed at damaged arterial wall, and on the other hand combined with contrast agents to bring an imaging signal. We developed 2 molecular imaging tools dedicated to 2 classical medical imaging modalities. In order to track the microparticles by single photon emission computed tomography, we radiolabeled them with technetium 99m and to detect them by MRI, we loaded them with superparamagnetic nanoparticles of iron oxide. We then have validated the efficiency of these 2 molecular imaging tools with preclinical studies of in vivo small animal imaging of arterial disease models. The obtained results are very promising and these 2 molecular imaging tools have a strong clinical potential for the diagnosis of arterial pathologies. We also have observed that the microparticles tend to migrate though the damaged arterial wall. This specific property could turn out to be very interesting for future works which will consist in using this technology to convey therapeutic molecules directly into the core of the arterial pathologies.

Les travaux entrepris au cours de cette thèse ont eu pour objectif d'élaborer de nouvelles nanoparticules magnétiques pour l'imagerie médicale. Ce manuscrit abordera la méthode de synthèse des nanoparticules, leurs caractérisations puis leur évaluation comme agent de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et radio-traceur pour la scintigraphie.Dans un premier temps, nous proposerons une méthode de synthèse pour obtenir des nanoparticules magnétiques à base de polymères de coordination cyano-pontés élaborées à partir de précurseurs moléculaires de métaux de transitions et de lanthanides en utilisant des ligands cyanure pontant et stabilisées par des ligands solubles dans l'eau et biocompatibles. Nous présenterons la synthèse, les caractérisations structurales et texturales et les propriétés magnétiques de ces nano-objets de formule générale My[M'(CN)6]z @stabilisant avec M = Fe, Gd, Tb, Y, Ni, Cu ; M' = Fe, Co et stabilisant = PEGNH2, PEG400, Glu-TEG, D-Mannitol, NADG. Nous évaluerons ensuite leur potentielle pour des applications en imagerie médicale. Pour ce faire, nous discuterons de leur capacité à se comporter comme agent de contraste pour l'IRM et comme radio-traceur pour la scintigraphie ou plus précisément la tomographie par émission mono-photonique. Nous développerons une discussion sur les paramètres fondamentaux qui doivent être optimisés afin d'obtenir des nano-objets comme agents de contraste pour l'IRM et dans le but de comprendre le mécanisme de relaxivité de ces nano-objets. Enfin, nous testerons ces agents de contraste et radio-traceurs in vitro et in vivo sur le petit animal. Puis, nous évaluerons la cytotoxicité, la cinétique et les voies d'élimination, la biodistribution, la génotoxicité et la carcinogénèse des nanoparticules utilisées. / The goal of the present research is to elaborate new magnetic nanoparticles for medical imaging. This manuscript will describe the nanoparticles' synthesis method, their characterization and their evaluation as contrast agent for magnetic resonance imaging (MRI) and functional probe for scintigraphy.In a first time, we will propose synthesis processes allowing to obtain cyano-bridged coordination polymer based magnetic nanoparticles elaborated from transition metals or lanthanides molecular precursors using cyano-bridged ligands and stabilizing ligands soluble in water and biocompatible. We will introduce the synthesis, structural and textural characterizations and magnetic properties of these nano-objects with general formula My[M'(CN)6]z @stabilizer with M = Fe, Gd, Tb, Y, Ni, Cu ; M' = Fe, Co and stabilizer = PEG NH2, PEG400, Glu-TEG, D-Mannitol, NADG.In a second time, we will evaluate their potential as nanoprobles for application in medical imaging. For that, we will discuss about their capacity to act as a contrast agent for MRI and as a functional probe for scintigraphy or more specifically single photon emission computed tomography (SPECT). We will develop discussion about fundamental parameters which must be optimized to obtain contrast agent nano-objects for MRI and to understand nano-object relaxivity mechanisms. Then, we will test these contrast agents and functional probes in vitro and in vivo on mice. Also, we will evaluate the cytotoxicity, the kinetics and way of elimination, the biodistribution, the genotoxicity and the carcinogenesis of the used nanoparticles.

Ces travaux de thèse sont motivés par le développement de techniques d’imagerie alternatives pour le diagnostic précoce du cancer du sein. Parmi celles-ci, l’imagerie photoacoustique couple potentiellement les avantages de deux modalités d’imagerie non-invasives, à savoir la quantification de contrastes physiologiques du fait de l’excitation optique et la haute résolution du fait d’un sondage acoustique.Le but de ces travaux est de proposer une modélisation multiondes du phénomène photoacoustique, et d’incorporer ce modèle dans un algorithme de reconstruction efficace pour résoudre le problème inverse. Celui-ci se rapporte à la reconstruction de cartes de propriétés physiques (optique et/ou acoustiques) de l’intérieur du sein. La Méthode des Eléments Finis (MEF) a été retenue pour résoudre l’équation de propagation optique. Pour la résolution de l’équation de propagation acoustique, une méthode semi-analytique, basée sur des calculs par transformées de Fourier (méthod k-space), a été choisie. Pour la résolution du problème inverse, deux approches ont été étudiées : i) un sondage passif, permettant de remonter à la distribution de pression initiale, à l’aide de la méthode de retournement temporel ; ii) un sondage actif, où l’on interroge le milieu sélectivement sous différentes excitations, permettant de remonter quantitativement aux propriétés optiques du milieu. On appelle cette dernière approche Tomographie PhotoAcoustique Quantitative (TPAQ). Une étude spécifique sur le protocole d’illumination/détection a été conduite, prenant également en compte les contraintes expérimentales. / The present work was motivated by the development of alternative imaging techniques for breast cancer early diagnosis, that is photoacoustic imaging, which potentially couples the merits of optical imaging and ultrasound imaging, that is high optical functional contrasts brought by optical probing and high spatial resolution by ultrasound detection. Our work aims at modeling the photoacoustic multiwave phenomenon and incorporate it in an efficient reconstruction algorithm to solve the inverse problem. The inverse problem consists in the recovery of interior maps of physical properties of the breast. The forward model couples optical and acoustic propagations. The Finite Element Method (FEM) was chosen for solving the optical propagation equation, while a semi-analytical method based on Fourier transforms calculations (k-space method) was preferred for solving the acoustic propagation equation. For the inverse model, time reversal method was adopted to reconstruct the initial pressure distribution, an active approach of the inverse problem was also achieved, which decoupled the optical properties from measured photoacoustic pressure, this approach is called quantitative photoacoustic tomography (QPAT), in this approach, illumination/detection protocol was studied, and the experimental set up is also take into consideration. In the last step, photoacoustic pressure measurements obtained from experiment and simulation are studied and compared.

L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique d'acquisition d'images qui permet de visualiser les différents tissus du corps humain. Son principe se base sur le moment magnétique des protons des atomes d'hydrogène. Le corps étant principalement composé d'eau et donc d'hydrogène, cela en fait une méthode de choix pour faire de l'imagerie cardiaque. L'IRM est très utilisée en clinique pour observer et diagnostiquer les différentes maladies cardiaques, comme l'infarctus du myocarde, la cardiomyopathie dilatée ou la cardiomyopathie hypertrophique. Dans le cas du coeur, principalement trois structures anatomiques sont étudiées: la cavité du ventricule gauche, la cavité du ventricule droit et le myocarde. Dans ce but, il est nécessaire de faire une segmentation manuelle, semi-automatique ou automatique de l'image IRM. Une fois ces structures segmentées, différents paramètres physiologiques peuvent être calculés pour évaluer la maladie d'un patient. Souvent, les méthodes de segmentation se concentrent sur la segmentation de la cavité du ventricule gauche. Pour les autres structures, la segmentation est principalement faite à la main par un médecin ce qui demande un temps non négligeable (environ 10 à 15 minutes par coeur). Ce mémoire présente une base de données anonymisée d'images cardiaque contenant 150 patients avec différentes maladies cardiaques. Il présente aussi une nouvelle méthode de segmentation automatique des trois structures sans aucune intervention humaine. La méthode se base sur l'apprentissage profond, ce qui en fait une méthode très rapide (180 millisecondes par volume). Pour rendre les segmentations plus fidèles, elle incorpore un terme de contours qui permet d'avoir une segmentation plus précise des contours des structures et une forme a priori qui permet de rendre la segmentation plus près de celle d'un vrai coeur (sans trous ou anatomie impossible). Cette recherche est faite en collaboration avec l'Université de Bourgogne et l'Université de Lyon en France qui ont permis la mise en place de cette base de données cardiaque et la validation des résultats.