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Les amas de galaxies sont des surdensites de matiere <br />gravitationnellement liees remplies d'un gaz chaud et ionise <br />emettant un rayonnement X. Ils se forment durant des phases <br />d'accretion de sous-groupes, au cours desquelles le gaz subit des <br />processus de choc et de melange qui perturbent ses proprietes <br />physiques a l'equilibre hydrostatique. Pour cartographier les <br />distributions spatiales d'emissivite, de temperature et d'entropie du <br />plasma intergalactique observe par les telescopes X, nous avons <br />compare differents algorithmes d'imagerie multiechelle, puis <br />developpe et teste un nouvel algorithme de spectro-imagerie. Dans <br />cet algorithme, le parametre recherche est estime a partir d'une <br />statistique de comptage dans differents elements de resolution <br />spatiaux, puis ses variations spatio-frequentielles sont codees par <br />des coefficients en ondelettes de Haar. La distribution spatiale <br />optimale du parametre est finalement restauree en seuillant la <br />transformee en ondelettes bruitee.

Dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressés à l'analyse d'IRM cérébrales dans le cadre notamment du suivi de patients souffrant de sclérose en plaques (SEP). L'extraction automatique de quantificateurs pour la SEP a de nombreuses applications potentielles, tant dans le domaine clinique que pour des tests pharmaceutiques. Dans un premier temps, nous nous sommes consacrés à l'étude générale de la maladie, afin de situer le rôle de l'imagerie. Nous présentons ensuite les différents prétraitements nécessaires à la robustesse du système, puis la segmentation des tissus sains via un modèle probabiliste des volumes partiels, ainsi qu'une nouvelle version de l'algorithme EM doté d'un traitement spécifique des points aberrants. L'utilisation des différentes séquences du protocole d'acquisition permet de spécialiser le processus pour la détection des lésions de sclérose en plaques. Une évaluation quantitative des résultats ainsi qu'un ensemble de perspectives sont enfin détaillées.

Une technique d'imagerie innovante reposant sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (bêta, gamma) à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide a été proposée au laboratoire SUBATECH en 2003. Cette technique, appelée imagerie 3 gammas, repose sur l'association d'une caméra à tomographie d'émission de positons pour la reconstruction des deux photons d'annihilation et d'une chambre à projection temporelle au xénon liquide pour la reconstruction du troisième photon. L'interaction de ce dernier avec le xénon liquide induit un signal de scintillation, lu avec un tube photomultiplicateur, qui permet de déclencher l'acquisition du signal d'ionisation, lu avec un MICROMEGAS (MICRO MEsh Gaseous Structure), donnant accès à la mesure de l'énergie et de la position de chaque interaction. Dans le cadre de ce développement, nous proposons une alternative à la lecture du signal de scintillation avec des tubes photomultiplicateurs classiques : un photomultiplicateur gazeux cryogénique de large surface. Ce photodétecteur est doté d'une photocathode réflective solide d'iodure de césium pour la photoconversion des photons UV et de microstructures amplificatrices telles que le THGEM (THick Gaseous Electron Multiplier), le MICROMEGAS et le PIM (Parallel Ionization Multiplier). Il devrait permettre une segmentation virtuelle du volume de xénon liquide afin de réduire l'occupation du télescope. Les premiers résultats obtenus à l'aide d'un premier prototype de petite surface à la température du xénon liquide (173 K) sont présentés.

Dans les tissus biologiques, la diffusion multiple de la lumière est un obstacle à une imagerie optique de profondeur résolue spatialement. Alliant la localisation ultrasonore à la détection de lumière diffuse, l'imagerie acousto-optique offre une résolution millimétrique en suivant le signal des photons "marqués" décalés spectralement de la fréquence des ultrasons, issus de la zone confinée du foyer acoustique. Malgré un signal faible et difficile à séparer de la lumière simplement diffusée, plusieurs techniques de détection existent, capables de produire des images de contraste optique de bonne qualité à travers plusieurs centimètres de milieu diffusant. Testée depuis 20 ans sur des échantillons imitant les propriétés optiques des tissus, l'imagerie acousto-optique reste peu connue des médecins par manque d'application sur des pathologies réelles. La thèse présente les dernières améliorations apportées aux deux techniques de détection des photons marqués à 780 nm que sont l'holographie numérique et photoréfractive, en matière de résolution et de rapidité. De plus, nous démontrons la possibilité de pratiquer l'holographie photoréfractive sans faisceau de référence avec un cristal de BSO à 532 nm. La mise en place d'un système multimodal d'imagerie optique et acoustique, couplant le montage acousto-optique avec un échographe commercial, souligne la complémentarité des deux informations à travers des expériences menées ex vivo sur des tumeurs chez la souris ou des biopsies de foie humain contenant des métastases. Enfin, l'imagerie acousto-optique est utilisée dans le suivi de création de lésion thermique par ultrasons focalisés de grande intensité dans le blanc de poulet.

Les applications Monte-Carlo sont facilement parallélisables, mais une parallélisation efficace sur des grilles de calcul est difficile à réaliser. Des stratégies avancées d'ordonnancement et de parallélisation sont nécessaires pour faire face aux taux d'erreur élevés et à l'hétérogénéité des ressources sur des architectures distribuées. En outre, la fusion des résultats partiels est également une étape critique. Dans ce contexte, l'objectif principal de notre travail est de proposer de nouvelles stratégies pour une exécution plus rapide et plus fiable des applications Monte-Carlo sur des grilles de calcul. Ces stratégies concernent à la fois le phase de calcul et de fusion des applications Monte-Carlo et visent à être utilisées en production. Dans cette thèse, nous introduisons une approche de parallélisation basée sur l'emploi des tâches pilotes et sur un nouvel algorithme de partitionnement dynamique. Les résultats obtenus en production sur l'infrastructure de grille européenne (EGI) en utilisant l'application GATE montrent que l'utilisation des tâches pilotes apporte une forte amélioration par rapport au système d'ordonnancement classique et que l'algorithme de partitionnement dynamique proposé résout le problème d'équilibrage de charge des applications Monte-Carlo sur des systèmes distribués hétérogènes. Puisque toutes les tâches finissent presque simultanément, notre méthode peut être considérée comme optimale à la fois en termes d'utilisation des ressources et de temps nécessaire pour obtenir le résultat final (makespan). Nous proposons également des stratégies de fusion avancées avec plusieurs tâches de fusion. Une stratégie utilisant des sauvegardes intermédiaires de résultat (checkpointing) est utilisée pour permettre la fusion incrémentale à partir des résultats partiels et pour améliorer la fiabilité. Un modèle est proposé pour analyser le comportement de la plateforme complète et aider à régler ses paramètres. Les résultats expérimentaux montrent que le modèle correspond à la réalité avec une erreur relative de 10% maximum, que l'utilisation de plusieurs tâches de fusion parallèles réduit le temps d'exécution total de 40% en moyenne, que la stratégie utilisant des sauvegardes intermédiaires permet la réalisation de très longues simulations sans pénaliser le makespan. Pour évaluer notre équilibrage de charge et les stratégies de fusion, nous mettons en œuvre une simulation de bout-en-bout de la plateforme décrite ci-dessus. La simulation est réalisée en utilisant l'environnement de simulation SimGrid. Les makespan réels et simulés sont cohérents, et les conclusions tirées en production sur l'influence des paramètres tels que la fréquence des sauvegardes intermédiaires et le nombre de tâches de fusion sont également valables en simulation. La simulation ouvre ainsi la porte à des études paramétriques plus approfondies.

L’imagerie biomédicale est aujourd’hui un outil essentiel pour établir un diagnostic grâce à l’observation des tissus et des fluides biologiques. L’usage d’instruments à imagerie combinée avec des produits de contraste est la clé pour réussir à distinguer précisément un tissu ciblé via l’accumulation de produit de contraste dans le tissu. Les deux principaux appareils à imagerie utilisés sont le scanner à rayons X et l’imagerie à résonance magnétique (IRM). Ils sont fréquemment employés en complément de l’un et l’autre. Typiquement, de petites molécules iodées hydrophiles sont utilisées comme produit de contraste pour la radiographie à rayons X tandis que l’IRM implique des matériaux magnétiques tels que des nanoparticules d’oxyde de fer. Dans le cadre de ce projet doctoral, nous avons donc proposé deux nouveaux produits de contraste dont le premier visait à constituer une alternative aux produits iodés dont la rapide élimination et la toxicité rénale forment deux problèmes récurrents et un second produit, cette fois-ci bimodale, afin de faciliter les procédures d’imagerie bimodale. Pour le premier point, des nanoparticules de polymères iodés pour l’imagerie à rayons X ont été formulées et ce, par une technique de nanoprécipitation. Les paramètres de formulation ont été élucidés de telle sorte que les nanoparticules possédaient une distribution de taille adaptée pour l’administration par voie intraveineuse et une teneur en iode suffisante en iode pour contraster sous rayons X. Une étude in vivo a révélé le potentiel du produit de contraste à visualiser distinctement le foie et la rate et ce, tout en ne présentant pas les principaux problèmes des produits iodés commerciaux. La seconde étude a eu pour but de formuler des nano-véhicules lipidiques capables de générer un contraste pour l’imagerie à rayons X et l’IRM de par l’incorporation d’huile iodée et de nanoparticules d’oxyde de fer dans le coeur de nano-émulsions. Ceci avait pour objectif de fournir une plateforme nanoparticulaire bimodale pour réaliser efficacement et rapidement des procédures d’imagerie multimodale. Nous avons réussi à produire un efficace agent de contraste bimodal permettant d’observer distinctement le foie et les reins par IRM et le foie et la rate par imagerie à rayons X. La pharmacocinétique de la substance administrée a ainsi pu être mise en avant grâce à la bimodalité de l’agent. Employer l’IRM a permis de montrer qu’une fraction de la dose injectée était éliminée par voie rénale tandis que l’imagerie à rayons X a confirmé que les deux tissus, foie et rate,étaient passivement ciblés par l’agent de contraste. Ces deux études ont donc fournies de potentielles solutions pour répondre aux besoins en produits pour l’imagerie à rayons X et en formulations facilitant l’imagerie bimodale des tissus mous. / Biomedical imaging is nowadays an essential tool to establish a diagnosis by means of observation of tissues and biological fluids. Combination of imaging instrument with contrast enhancers is a key to obtain clear delineation of a desired tissue by accumulation of a contrast agent into this specific target. The two main imagers are the X-ray scanner and the magnetic resonance imaging (MRI).These imagers are frequently used in conjuncture. Typically, small hydrosoluble iodinated molecules are used as contrasting material for radiography whereas MRI involves magnetic materials like iron oxide nanoparticles. In this work, we proposed two novel contrast agents, the first one was aiming to form an alternative to iodinated contrast agents suffering from fast excretion and causing renal toxicity whereas the second one was aiming at providing bimodal contrasting ability to facilitate access to bimodal imaging procedure in clinics. In the first case, iodinated polymeric nanoparticles, serving for preclinical X-ray imaging were formulated by nanoprecipitation technique. Parameters of formulation were elucidated to provide nanoparticles with size distribution suitable for in vivo administration and high iodine content for contrast enhancement. In vivo study revealed the efficacy of our nanoparticles to clearly visualize liver and spleen and limiting current issues associated with marketed radiopaque contrast agents. The second work achieved was aiming at formulating bimodal lipids-based nanocarriers capable of yielding contrast enhancement for X-ray imaging and MRI by combining iodinated oil and iron oxide nanoparticles within a nano-emulsion core. This would provide bimodal nanoparticulate platform to carry out fast and efficient dual modal imaging procedures. In this context we succeeded to generate efficient dual modal contrast agent yielding clear visualization of liver and kidney by MRI and liver and spleen by X-ray imaging. Pharmacokinetic profile was so determined thanks to bimodal imaging. Using MRI allowed to show that kidneys eliminated a fraction of the dose whereas X-ray imaging confirmed that both tissues, liver and spleen, were passively targeted. These two studies proposed solutions limiting current issues of radiopaque contrast agents and novel formulations to facilitate bimodal imaging for soft tissues imaging.

La tomographie d’émission par positrons est une technique d’imagerie médicale importante dans les domaines clinique et préclinique. Elle permet de diagnostiquer des cancers, des maladies cardiovasculaires ou encore des maladies neurodégénératives. Dans le domaine préclinique, la TEP permet de mener des recherches de pointe pour mieux comprendre les métabolismes au niveau moléculaire afin de développer des thérapies ciblées qui seront utilisées dans la médecine de demain. C’est pourquoi, depuis plus de quinze ans, le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS) et le Centre d’Imagerie Moléculaire de Sherbrooke (CIMS) collaborent pour concevoir des scanners TEP permettant d’obtenir des images avec un contraste et une résolution inégalée. Pour obtenir ces images, les paramètres des scanners doivent être optimisés de manière minutieuse. L’un des paramètres les plus importants en TEP est la mesure temporelle pour minimiser les coïncidences fortuites et ainsi améliorer le rapport signal sur bruit de l’image. La mesure temporelle peut être entachée d’une part, de bruit statistique provenant de différentes sources comme le bruit thermique, le bruit d’amplification, la pente du signal au point de discrimination et d’autre part, les variations systémiques qui peuvent être corrigées par un traitement approprié de l’information. Le travail présenté dans ce mémoire porte sur la conception d’une nouvelle méthode embarquée et automatisée faisant appel à une sonde d’alignement temporel pour effectuer cet alignement et corriger la dispersion temporelle systémique dans le scanner. Cette méthode a été testée sur le scanner LabPET II, la dernière génération de scanner développé au GRAMS et a permis une amélioration de la mesure temporelle de 47%.

Dans le domaine de l'imagerie médicale ultrasonore, la connaissance du déplacement du milieu imagé est une donnée clinique très importante dans de nombreux examens, parmi lesquels nous pouvons citer les examens Doppler ou les examens d'élastographie. Dans la littérature, les deux principales familles de méthodes permettant d'estimer le déplacement sont les méthodes de mise en correspondance de blocs et les méthodes Doppler. Les méthodes de mise en correspondance de blocs estiment le déplacement en comparant des vignettes prises dans les images ultrasonores avant et après déplacement. Elles dépendent donc de la méthode utilisée pour former les images. Les méthodes Doppler mesurent quant à elles le déplacement suivant une direction particulière, ce qui limite leur gamme d'utilisation à l'estimation de champs de déplacements simple. Dans cette thèse, nous avons proposé un formalisme, ainsi que trois méthodes, permettant d'estimer le déplacement 2D directement à partir de ces signaux bruts. Cette approche permet de s'affranchir de la dépendance envers la méthode de formation d'images, tout en permettant l'estimation de champs complexes. Nous avons mis en évidence le concept de vecteur normal, liant le déplacement réel de milieu aux décalages temporels de long des signaux bruts. Le formalisme général est appliqué à plusieurs séquences ultrasonores: la première méthode d'estimation utilise des signaux acquis à l'aide d'éléments uniques de la sonde; la deuxième est basée sur l'utilisation d'ondes planes et la troisième méthode s'appuie sur une séquence utilisant des faisceaux focalisés. Les méthodes d'estimation directe du mouvement ont été validées en simulation et expérimentalement, et leurs performances ont été comparées à une méthode de référence: la mise en correspondance de blocs. Les méthodes proposées améliorent significativement la précision de l'estimation du champ de déplacement par rapport à la méthode standard, en atteignant une précision de 1.5µm dans la direction transverse et une précision de 2.5µm dans la direction axiale pour une fréquence de travail de 5MHz. Nous avons également développé une méthode de formation d'images améliorant la résolution spatiale. Cette méthode utilise les spectres de signaux RF acquis avec des ondes planes pour former le spectre de l'image ultrasonore. Elle fournit les images utilisées par la méthode d'estimation du mouvement de référence. / In the field of medical ultrasound imagery, the knowledge of displacement is an important input for many clinical exams, including color Doppler and elastography. In the literature, the two main way proposed for solving the displacement field estimation are blockmatching techniques and Doppler methods. Blockmatching techniques try to match part of images acquired before and after the displacement and depends on the way those images where created. On the other hand, Doppler methods only estimate displacement along a fixed direction. In this thesis, we proposed three methods that can be used to estimates directly the motion field from raw RF signals by using the proposed concept of normal vector. This concept models how displacement will change RF signals. The proposed methods are compared in simulation and experimentally to a reference blockmatching technique and show a improvement of resolution. Proposed methods resolution are up to 1.5µm in the transverse direction and 2.5µm in the axial direction at a frequency of 5MHz. We also proposed a new beamforming technique that estimate the spectrum of the ultrasound image. This method is compatible with RF signals used by motion estimation methods.

L’imagerie de fluorescence est une technique d’imagerie médicale permettant de visualiser l’émission d’un traceur, ou fluorophore, à l’aide d’une excitation de type Laser ou LED. Les domaines d’application de la technologie sont la chirurgie oncologique, la chirurgie reconstructive ou encore la chirurgie cardiaque. Bien que les besoins en chirurgie ouverte soient importants, l’évolution des pratiques tend à démocratiser la chirurgie dite minimalement invasive. La chirurgie endoscopique va dans ce sens, le but étant de limiter les traumatismes opératoires rencontrés en chirurgie ouverte. Parmi les avantages de cette techniques on note une diminution des saignements et de la douleur, ou encore une réduction de la durée d’hospitalisation.Lors d’une intervention de type chirurgie ouverte, le praticien peur se contenter de la seuls information de fluorescence fournie par le système d’imagerie. Cependant, tout l’enjeu de l’imagerie de fluorescence pour la chirurgie mini-invasive est de venir greffer ne information relative au fluorophore sur une image couleur de très bonne qualité, essentielle au chirurgien. Pour une première évaluation, un système deux caméras a été réalisé. Un capteur est dédié à l’acquisition de l’image couleur et un autre à l’information de fluorescence. Cependant, notamment pour conserver pour conserver un système compact et proposer la meilleure ergonomie possible au chirurgien, l’endoscope final ne devra comporter qu’un seul imageur. Le principe de base est d’utiliser des impulsions de lumière d’excitation et de lumière blanche afin de séquentiellement acquérir les données de fluorescence et les images couleur. Il convient ensuite de traiter les informations recueillies pour reconstruire l’image désirée en temps réel. / Fluorescence image-guided surgery is a medical imaging modality which allows the surgeon to visualize a fluorescent probe previously injected to the patient. The probe could be specific or not and the technology is useful in a wide range of application from oncologic procedures to reconstructive surgeries or cardiac procedures. Despite the important needs of this technology in open-procedures, the surgery in general is more and more minimally invasive. The goal of mini-invasive surgery is to limit patient's per and post operation trauma. The advantages of the technique are a decrease of bleeding and pain and a decreasing hospitalization time.During an open surgery, the B&W fluorescence information given by the fluorescence image-guided surgery system is enough for the surgeon. For mini-invasive procedures, the in-game is to overlay the fluorescence information to high quality color image, compulsory for the surgeon to perform his procedure. As a first evaluation, a 2-sensors system has been rapidly developed. One sensor is dedicated to the acquisition of the color image and the other to the fluorescence information. In order to make the system more compact and improve the quality of the color image furnished to the surgeon, the final system should be composed of only one sensor. To create the color image and collect the fluorescence information with one sensor, the technique involved pulsed white light and excitation light in a sequential acquisition mode. The two information are combined and a real-time color plus fluorescence video is displayed to the surgeon.