Ce mémoire présente un nouvel algorithme de compression de fibres développé spécifiquement pour la tractographie. Validé et testé sur un large éventail d’algorithmes et de paramètres de tractographie, celui-ci présente trois grandes étapes : la linéarisation, la quantization ainsi que l’encodage. Les concepts clés de l’imagerie par résonance magnétique de diffusion (IRMd) et de la compression sont également introduits afin de faciliter la compréhension du lecteur.

Ce mémoire présente l'ensemble des étapes de pré-traitement appliquées aux images provenant de l'imagerie par résonance magnétique de diffusion afin de conseiller les meilleurs paramètres dans une étude de tractographie. L'imagerie de diffusion nous donne l'information locale des déplacements moyens des molécules d'eau dans le cerveau. Cette information nous permet d'inférer l'architecture de la matière blanche. La reconstruction du signal de diffusion fait appel à différentes méthodes plus ou moins aptes à restituer la complexité des configurations de fibres. Dans ce mémoire, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction du phénomène de diffusion basée sur la décomposition en ondelettes sphériques. Ensuite, en combinant ces informations à tous les points du cerveau nous reconstruisons le réseau de fibres de la matière blanche par un algorithme de tractographie déterministe. Afin d'initier cet algorithme, nous proposons une nouvelle méthode d'initialisation dans le but de mieux gérer la complexité des configurations de fibres au sein d'un seul voxel. Les fibres reconstruites sont très difficiles à évaluer dans le cerveau car nous ne connaissons pas la configuration réelle des fibres. Pour être en mesure d'évaluer nos méthodes de reconstruction, nous utilisons un fantôme calquant la complexité des configurations de fibres trouvées dans le cerveau. Dans ce mémoire, nous proposons un ensemble de métriques et un système de notations permettant d'évaluer automatiquement la qualité des résultats d'une tractographie. Nous concluons l'étude concernant les données synthétiques par un ensemble de conseils sur les paramètres à utiliser afin d'obtenir des résultats de tractographie optimaux. Finalement, nous évaluons qualitativement les résultats de tractographie issus de données réelles afin de confirmer nos choix sur les données fantômes.

La microscopie par diffusion Raman Coh´erente Anti-Stokes (CARS) est une<br />m´ethode r´ecente d'imagerie dont le contraste provient de l'excitation r´eso-<br />nante s´elective de vibrations mol´eculaires intrins`eques d'une liaison ou d'un<br />ensemble de liaisons chimiques. Cette technique pr´esente l'avantage de s'af-<br />franchir de tout marqueur fluorescent qui peut ˆetre toxique pour un orga-<br />nisme biologique vivant. Elle permet aussi d'avoir une tr`es grande sensibilit´e<br />et une forte r´esolution spatiale, comparable `a celle de la microscopie confo-<br />cale. Le travail de cette th`ese concerne la r´ealisation d'un microscope CARS,<br />et sa mise en application `a diff´erents domaine de l'imagerie bio-m´edicale. Des<br />´etudes ont ´et´e men´ees d´emontrant les potentialit´es de cet outil, ainsi que sa<br />caract´erisation dans le domaine spatiale et spectral.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Malgré le rôle primordial des neurotransmetteurs (NTs) dans le système nerveux central, leur détection non-invasive in vivo reste un défi majeur. L’imagerie par résonance magnétique (IRM), grâce à son excellente résolution spatiale et temporelle, est parmi les techniques de diagnostic les plus performantes. Elle est au centre des développements récents en imagerie moléculaire. En particulier, l’utilisation des agents d’imagerie intelligents qui sont capables de visualiser le statut physico-chimique des tissus commence à avoir une place importante en neuroscience.Cette étude a pour objectif de concevoir, synthétiser et caractériser in vitro des sondes intelligentes à base de cations lanthanide pour la détection in vivo des NTs. La conception de nos sondes est basée sur des interactions doubles avec des neurotransmetteurs zwitterioniques: d’une part entre le complexes de Ln3+ positivement chargé et le carboxylate du NT et d’autre part entre un ether couronne lié au complexe et la fonction amine du NT. Plusieurs des sondes synthétisées présentent des relaxivités élevées et ont une réponse relaxometrique remarquable aux NTs, bien que leur sélectivité vis-à-vis de l’ion bicarbonate ne soit pas suffisante. Afin de développer des sondes pour une approche bimodale IRM /optique, nous avons également intégré dans les complexes une benzophenone qui joue le rôle de chromophore pour sensibiliser la luminescence des ions Ln3+ émettant dans le proche infra-rouge. Le complexe d’Yb3+ correspondant a des propriétés de luminescence très intéressantes avec une forte réponse aux NTs. / In spite of the key role of neurotransmitters (NTs) in signal transduction, their non-invasive in vivo monitoring remains an important challenge. Magnetic resonance imaging (MRI) has recently been demonstrated as a promising technique to non-invasively visualize physiological events with excellent temporal and spatial resolution. In particular, smart MRI contrast agents that are able to report on the physico-chemical status of the tissues, start to have a strong impact in neuroscience. The objective of this work was the design, synthesis and in vitro characterization of a series of lanthanide-based probes responsive to NTs with the aim to track in vivo concentration changes of NTs using MR or optical imaging. The design of our imaging probes relies on a dual binding approach of zwitterionic NTs to the Ln3+ complexes, involving interactions (i) between a positively charged Ln3+ chelate and the carboxylate function of the NTs and (ii) between an azacrown ether appended on the chelate and the amine group of the neurotransmitters. Some of the novel contrast agents were found to exhibit high relaxivities and a remarkable relaxivity response towards NTs, though little selectivity against bicarbonate. In order to apply a bimodal MRI/optical imaging approach, we have also incorporated a benzophenone moiety into the chelate to sensitize the near-infrared emitting Ln3+ ions. The Yb3+ analogue proved to be highly sensitive to NTs.

L’imagerie sans lentille a élargi le champ d’applications de l’imagerie aux sources cohérentes de courte longueur d’onde dans le domaine XUV, pour lequel les systèmes optiques pour l’imagerie ne sont pas facilement disponibles. En outre, les sources pulsées ultra brèves XUV et X basées sur la génération d’harmoniques laser d’ordre élevé (HHG) et les lasers à électrons libres (FEL) offrent une très bonne résolution temporelle (femto 10-15s - atto 10-18s). Ce sont donc les outils indispensables pour suivre les dynamiques ultrarapides à l’échelle nanométrique. Il est donc nécessaire de disposer de techniques d’imagerie en un tir unique pour profiter pleinement des capacités de ces sources XUV. Les techniques d’imagerie sans lentille sont basées sur la mesure directe du champ électromagnétique diffracté lors de l’interaction de la source avec l’échantillon. La diffraction est liée à la transmittance de l’objet mais aussi à la cohérence spatiale de la source et à son front d’onde. La caractérisation en un tir unique de ces propriétés permet l’amélioration de la résolution de la reconstruction de l’objet.Les résultats de cette thèse sont présentés en deux parties dans ce manuscrit. La première partie est consacrée à la caractérisation des sources XUV et la deuxième au développement de nouvelles techniques d’imagerie multidimensionnelle. Nous présentons différentes applications de la mesure du front d’onde en un tir unique des sources XUV. Les résultats sont le produit de différentes campagnes expérimentales, sur des sources HHG et les FEL LCLS (Stanford) et FERMI (Trieste). Nous présentons également une nouvelle méthode pour la caractérisation en simple tir de la cohérence spatiale qui ne nécessite pas la connaissance de la distribution d’intensité du faisceau incident. De plus, nous présentons une nouvelle technique d’imagerie basée sur l’holographie par transformée de Fourier pour améliorer la résolution dans la reconstruction de l’objet dans le cas de l’utilisation d’une source partialement cohérente.La deuxième partie est consacrée à deux techniques d’imagerie multidimensionnelle développées pendant cette thèse. Une nouvelle technique d’imagerie 3D en simple tir, facile à implémenter et réduisant fortement la dose de rayonnement reçu par l’échantillon, est présentée. Différents schémas expérimentaux pour la génération de deux sources XUV synchronisées pour cette technique d’imagerie stéréographique 3D sont proposés. D’autre part, nous présentons une technique holographique compatible avec une source de large bande spectrale. Deux applications sont envisagées. La première est l’imagerie ultrarapide résolue spectralement, la deuxième est l’imagerie attoseconde. A la fin du manuscrit des conclusions générales du travail accompli pendant la thèse, ainsi que des perspectives sont présentées. / Lensless imaging techniques have broadened imaging applications to coherent sources in the short wavelength XUV domain, where optical systems to create an image are still not readily available. Furthermore, high harmonic generation sources (HHG) and free electron lasers (FEL) have the advantage of providing short temporal resolutions (atto 10-18s - femto 10-15s), opening the way towards ultrafast time resolved nanoscale imaging. Single shot imaging techniques are then highly important to exploit the shortest temporal resolution that can be reached with XUV sources. Lensless imaging is based on the direct measurement of the electric field diffracted by the sample. The diffraction pattern depends on the object transmittance but also on the source spatial coherence and wavefront. Single shot characterization of those properties thus leads to an improvement of the resolution of the object reconstruction.The results presented in this thesis are divided in two parts; the first one is focused on the characterization of the sources and the second on the development of new multidimensional imaging techniques. We will present different applications of single shot wavefront sensing of XUV sources. The results presented are the product of different experimental campaigns performed during this thesis using HH sources and FEL facilities at LCLS (Stanford) and FERMI (Trieste). Furthermore, a new method for single shot characterization of the spatial coherence that does not require the simultaneous measurement of the intensity distribution is presented. Additionally, we present a new holographic technique to improve the resolution of the object reconstruction when a partially coherent source is used.The second part is dedicated to two new multidimensional imaging techniques developed during the thesis. A new tri-dimensional imaging technique that is single shot, easy to implement and that lowers drastically the X-ray dose received by the sample, is presented. Different experimental setups for the generation of two synchronized XUV sources suitable for this ultrafast single shot 3D stereo imaging technique are presented. In addition, we present a holographic technique to extend imaging using a broadband source towards spectrally resolved single shot imaging and attosecond applications. Finally, we present the general conclusions from the work done during the thesis, together with the perspectives drawn from this work.

L'Imagerie par Résonance Magnétique de la cinématique de la contraction cardiaque est une technique d'imagerie relativement lente. En comparaison, les mouvements du patient, en particulier cardiaque et respiratoire, sont rapides et peuvent provoquer des artéfacts sur les images. La vitesse de contraction cardiaque apporte justement des informations cliniquement utiles. Premièrement, nous avons montré qu'il était possible d'effectuer cette mesure en IRM Cine à contraste de phase, et d'obtenir des valeurs similaires à celles obtenues de façon clinique en échographie cardiaque. La condition est d'obtenir une haute résolution temporelle, or, pour ce faire, la durée d'acquisition doit être plus longue qu'une apnée. La gestion du mouvement respiratoire en respiration libre a été réalisée de deux façons : avec moyennage puis avec correction de mouvement à l'aide de Cine-GRICS. Deuxièmement, pour atteindre une bonne reconstruction de la résolution temporelle en Cine, nous avons proposé une gestion temps réel de la variation du rythme cardiaque pendant l'acquisition IRM Cine, avec la construction d'un modèle cardiaque adapté au patient à l'aide de l'IRM à contraste de phase temps réel. Enfin, la gestion du mouvement cardio-respiratoire en IRM Cine est appliquée chez le petit animal à l'aide d'écho navigateurs IntraGate / Cine MRI of cardiac contraction is a relatively slow imaging technique. Comparatively, patient motion, especially cardiac beating and breathing, are fast and can lead to imaging artefacts. Cardiac contraction velocity provides clinically useful information. Firstly, we have shown that making this measurement was possible using phase contrast Cine MRI, and that getting similar values as those obtained in clinical routine using cardiac echography. The condition is to reach high temporal resolution, but to do so, the acquisition duration must be longer than a breathhold. Free-breathing motion management was done by two approaches: by averaging then by motion compensation using Cine-GRICS. Secondly, in order to achieve high temporal resolution Cine reconstruction, we proposed a way to deal with changing heart rate during Cine MRI acquisition, by the construction of a patient adapted cardiac model using realtime phase contrast MRI. Finally, cardio-respiratory motion management was adapted to small animal Cine MRI thanks to IntraGate echo navigators

Depuis le milieu du XXème siècle, les techniques d’imagerie fonctionnelles ont un rôle grandissant dans notre compréhension sur les fonctions du cerveau en conditions physiologique et pathologique. Bien que l’IRMf fasse partie des techniques les plus communément utilisées pour l’imagerie du cerveau complet lors d’études préclinique et clinique, cette modalité souffre de sa résolution spatiotemporelle et sa sensibilité pour enregistrer finement les fonctions et activités cérébrales. Récemment l’imagerie fonctionnelle par ultrason (ifUS) a subi des développements permettant d’être complémentaires à l’IRMf ainsi qu’aux autres techniques d’imagerie cérébrales classiquement employées. Contrairement aux ultrasons focalisés conventionnels, l’imagerie hémodynamique proposé par l’ifUS repose sur une illumination ultrasonore plane permettant la détection des globules rouges en mouvement et la mesure de leur vitesse dans les micro-vaisseaux cérébraux. De ce fait, l’ifUS est indirectement lié à l’activité cérébrale d’où l’importance d’une meilleure compréhension des mécanismes du couplage neuro-vasculaire liant l’activité neuronale et les variations cérébrales d’apport en sang. De plus, cette technique a le potentiel pour fournir des informations précises sur les processus de certaines pathologies à la fois sur des modèles précliniques et chez l’homme. Dans un premier temps, j’exposerais mes travaux sur les récents développements techniques permettant l’ifUS in vivo (i) en condition chronique, (ii) sur l’animal éveillé, libre de mouvement et effectuant une tache comportementale et (iii) des vaisseaux capillaires chez le rongeur et l’homme. Dans un second temps, je démontrerais que l’ifUS in vivo peut fournir des informations nouvelles sur des pathologies telles que l’accident vasculaire cérébrale. / Since the middle of the 20th century, functional imaging technologies are making an increasing impact on our understanding on brain functions in both physiological and pathological conditions. Even if fMRI is nowadays one of the most used tool for whole brain imaging in pre-clinical and clinical studies, it lacks sufficient spatiotemporal resolution and sensitivity to assess fine brain function and activity. Functional ultrasound imaging (fUSi) has been recently developed and presents a potential to complement fMRI and other existing brain imaging modalities. Contrary to conventional ultrasound using focus beams, fUSi relies on hemodynamic imaging based on ultrasound plane-wave illumination to detect red blood cells movement and velocity in brain micro-vessels. Consequently, the fUSi signal is indirectly related to brain activity and it is therefore important to better understand the mechanisms of the neurovascular coupling linking neural activity and cerebral blood changes. Here again, fUSi may provide relevant information about disease processes in preclinical models but also in humans. First, I will present recent technical developments allowing in vivo fUSi (i) in chronic condition, (ii) in freely moving and behaving rats and (iii) in rodents and human brain capillaries. Second, I will demonstrate how fUSi could provide new insights in brain pathologies such as stroke.

Les pathologies cardiovasculaires restent un des problèmes majeurs de santé publique qui justifie les recherches menées pour améliorer notre compréhension de la fonction cardiaque. Celles-ci nécessitent une bonne connaissance de la microarcInstitut de Technologie de Harbin - Chineecture myocardique afin de mieux comprendre les relations entre les fonctions mécanique, hémodynamique et les changements structuraux induits par les maladies cardiaques. Pour ce faire il est nécessaire d’accéder à une connaissance précise de l’arrangement spatial des composants du tissu. Cependant, notre compréhension de l’arcInstitut de Technologie de Harbin - Chineecture du coeur est limitée par le manque de description 3D de l’organisation des structures à l’échelle microscopique. Nous proposons d’explorer la structure 3D du tissu cardiaque en utilisant l’imagerie X synchrotron par contraste de phase disponible à l’ESRF. Pour la première fois, 9 échantillons de tissu de la paroi du ventricule gauche (VG) humain sont imagés à la résolution isotrope de 3,5 μm et analysés. Cette thèse est centrée sur la description 3D d’un des constituants principal du tissu: la matrice extracellulaire (MEC). La MEC inclue: l’endomysium qui entoure et sépare les myocytes et les capillaires de façon individuelle, le perimysium qui entoure et sépare des groupes de myocytes et l’épimysium qui enveloppe le muscle cardiaque dans son ensemble. Chaque échantillon reconstruit fait environ 30 Gb, ce qui représente une quantité importante de données à traiter et à visualiser. Pour ce faire, nous avons développé un algorithme automatique de traitement d’image pour binariser chaque échantillon et isoler la MEC. Ensuite, nous avons extrait des parametres statistiques relatifs à la microarcInstitut de Technologie de Harbin - Chineecture de l’ECM, principalement l’épaisseur des plans de clivage (PC) et les distances inter-PC. Les résultats montrent que l’arrangement local des PC diffère selon l’emplacement au sein du VG (postérieur, antérieur, septal) et de leur distance à l’apex (plus complexe). L’épaisseur des PC extraite de tous les échantillons va approximativement de 24 μm à 59 μm et la distance inter-PC de 70 μm à 280 μm avec une variation locale significative de la déviation standard. Ce sont de nouveaux marqueurs quantitatifs de la MEC du tissu cardiaque humain qui sont d’un intérêt majeur pour une meilleure compréhension de la fonction cardiaque. / Cardiovascular diseases remain one of the most serious health problems, motivating research to deepen our understanding of the myocardial function. To succeed, there is a need to get detailed information about the spatial arrangement of the cardiac tissue components. Currently, our understanding of the cardiac microarcInstitut de Technologie de Harbin - Chineecture is limited by the lack of 3D descriptions of the cardiac tissue at the microscopic scale. This thesis investigates the 3D cardiac tissue microstructure using X-Ray µ-CT phase contrast imaging available at the ESRF. For the first time, 9 human cardiac left ventricle (LV) wall samples are imaged at an isotropic resolution (3.5 µm) and analysed. We focus on the description of the cardiac extracellular matrix (CEM) that is one of the main components of the tissue. The CEM includes: the endomysium that surrounds and separates individual myocytes and capillaries, the perimysium that surrounds groups of myocytes and the epimysium that surrounds the entire heart muscle. Each reconstructed sample is about 30 Gb which represents a large amount of data to process and display. To succeed, we developed an automatic image processing algorithm to binarise each sample by selecting the CEM. We extract statistical features of the ECM, mainly the thickness of the cleavage planes (CP) and the inter-CP distances. The results show that the local 3D arrangement of the CP differs according to their location in the LV (posterior, anterior, septal) and their distance from the apex (more complex). The thickness of the CP extracted from all the samples roughly ranges from 24 µm to 59 µm and the inter-CP distances from 70 µm to 280 µm with significant local variations of the standard deviation. Those new quantitative markers of the ECM of the human cardiac are of main interest for a better understanding of the heart function.