L’objectif de cette recherche est de développer un algorithme de segmentation du cartilage du genou à partir des images IRM en façon automatique et robuste. Cette recherche est réalisée en collaboration avec Laboratoire BodyCad. Le but final de cette étude est de permettre à l’entreprise de générer des prothèses du genou personnalisées. L’algorithme développé dans cette étude sera utilisé pour planification des chirurgies médicales de genou, donc la précision et la fiabilité de l’algorithme sont des points critiques. Afin de mieux comprendre les algorithmes existants de segmentation médicale, nous avons fait une évaluation de la littérature de ce domaine. Nous présentons une revue brève des recherches touchant le domaine de la segmentation des images médicales. L’algorithme proposé dans cette étude est implémenté en deux versions : la version primaire et la version étendue. Dans la version primaire, la segmentation est effectuée basée sur les informations extraites à partir d’une image IRM, tandis que la version étendue de notre algorithme extrait les informations de deux images IRM simultanément. Les résultats obtenus en utilisant trois ensembles distincts d’images IRM se présentent et se comparent dans la section de conclusion. La comparaison montre que l’algorithme a la capacité de produire les résultats de grande qualité. / The objective of this research is to develop a robust automatic algorithm for segmentation of the knee cartilage from MRI images. This research is carried out in collaboration with BodyCad Laboratories. The ultimate goal of this study is to allow the company to generate personalized knee prostheses. The algorithm developed in this study will be used in medical knee surgery planning, so the precision and reliability of the algorithm are of crucial importance. In order to achieve a better understanding of the existing algorithms in the field of medical segmentations, we performed a profound review of the literature in this field. We present a brief review of these studies in the literature review section. The algorithm proposed in this study is implemented in two versions: the primary version and the extended version. In the primary version, segmentation is performed based on information extracted from an MRI image, while the extended version of our algorithm extracts information from two MRI images simultaneously. The results obtained using three distinct sets of MRI images are presented in the results section and a comparison is drawn in the conclusion section of this document. This comparison shows that the algorithm has the ability to produce high quality results.

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.

Afin de permettre l’application chez l’homme de nouvelles technologies médicales comme la thérapie cellulaire régénératrice, il est primordial d’être en mesure de localiser in vivo les cellules transplantées à l’intérieur d'un tissu. L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique de choix en raison de son excellente résolution anatomique. Par contre, l’utilisation d’un agent de contraste est nécessaire afin de marquer et de suivre à la trace des cellules implantées puisque leur contraste intrinsèque les rend difficiles à distinguer des tissus environnants. Les agents à effet de contraste négatif tel que les oxydes de fer sont les plus souvent envisagés pour effectuer un suivi cellulaire in vivo. Un problème se pose lorsqu’il est question de quantification ou de localisation précise d’une implantation cellulaire. En effet, la présence d’un artéfact négatif excédant le volume qu’occupent les cellules nuit à la précision de la technique. Pour ces raisons, ce projet porte sur l’élaboration d’une méthodologie de marquage de cellules cancéreuses employant un agent de contraste d’IRM générant un contraste positif. Ce projet de recherche avait pour but d’évaluer le potentiel des nanoparticules d’oxyde de manganèse (MnO) et d’oxyde de gadolinium (Gd2O3) comme agents de contraste pour le marquage cellulaire. Des nanoparticules synthétisées par des collègues ont été utilisées dans le cadre de ce projet. Le projet de maîtrise décrit ici est constitué de trois volets : 1) le développement d’un protocole d’analyse élémentaire des éléments chimiques Mn et Gd dans des cellules marquées d’agent de contraste; 2) l’élaboration d’une procédure de quantification du signal généré par des cellules marquées par un agent de contraste paramagnétique; et 3) la démonstration de la possibilité de suivre in vivo par IRM, des cellules marquées. Ce projet a été ponctué de mesures de viabilité cellulaire ainsi que d’études de microscopie à transmission (MET) cellulaire, permettant de démontrer l’internalisation des agents de contraste dans les cellules. Les cellules marquées ont été visualisées en IRM sous forme de culots de cellules de différentes tailles, puis implantées par stéréotaxie chez des souris afin de réaliser un suivi de la prolifération des cellules in vivo. Ces études ont permis de mesurer le signal d’IRM généré par des cellules cancéreuses marquées de nanoparticules de MnO et de Gd2O3, en utilisant des séquences dites « pondérées en T1». Ces études montrent que les nanoparticules paramagnétiques permettent de détecter plusieurs dizaines de milliers de cellules implantées localement ( 20 000). Cette limite intrinsèque devrait être prise en compte dans les procédures d’implantation utilisant des marqueurs paramagnétiques à base de Gd et de Mn. / To allow the application of new medical technologies such as regenerative cell therapy to humans, it is essential to be able to localize the tissue-implanted cells in vivo. Magnetic resonance imaging (MRI) is a technique of choice because of its excellent anatomical resolution. On the other hand, use of a contrast agent is required to label and keep track of the implanted cells as their intrinsic contrasts make them difficult to distinguish from surrounding tissue. Negative contrast agents like iron oxides are the most often considered tracking cells in vivo. A problem appears when quantification or determination of the exact location of a cell implantation is needed. Indeed, the presence of a negative artifact far exceeding the volume occupied by the cells compromises the accuracy of the technique. For these reasons, this project focuses on developing a methodology to label cancer cells using a positive contrast agent for MRI. This research project aims at evaluating the potential of manganese oxide (MnO) and gadolinium oxide (Gd2O3) nanoparticles as contrast agents for cell labeling. Nanoparticles synthesized by co-workers were used in this project. The master's project described here consists of three (3) components: 1) development of a valid protocol of elemental analysis of Mn and Gd quantification in labeled cells, 2) development of a procedure for quantification of the MRI signal generated by cells labeled with paramagnetic contrast agent, and 3) demonstrating of the in vivo track ability by MRI, cells labeled with a paramagnetic agent. This project was punctuated by measures of cell viability and cell visualisation by transmission electron microscopy (TEM), to demonstrate the internalization of contrast agents into cells. The labeled cells were visualized by MRI in the form of cell pellets of various sizes, and implanted in mice by stereotactic methods to achieve a monitoring of cell proliferation in vivo. These studies measure the MRI signal generated by cancer cells labeled by MnO and Gd2O3 nanoparticles, using "T1 weighted" sequences. These studies show that paramagnetic nanoparticles can detect tens of thousands of locally implanted cells ( 20 000). This inherent limit should be taken into account in the settlement procedures using Gd and Mn based labels.

L'imagerie par résonance magnétique de diffusion permet de mesurer l'intensité de la diffusion de l'eau dans plusieurs directions et révèle l'orientation locale des structures biologiques sous-jacentes, notamment l'orientation locale du réseau d'axones du cerveau. Une procédure appelée tractographie a pour objectif d'estimer la structure 3D de ce réseau d'axones à partir de l'information de diffusion. Les algorithmes de tractographie sont généralement contraints dans un sous-ensemble de l'image de diffusion où l'information mesurée est cohérente, par exemple par un masque de la matière blanche. L'algorithme de tractographie termine lorsqu'il atteint la frontière du masque. Quel effet le masque a-t-il sur les résultats produits par l'algorithme de tractographie ? Comment produire des résultats anatomiquement cohérents ? Dans ce mémoire, nous présentons des méthodes utilisant l'information des cartes probabilistes des tissus cérébraux provenant d'une image par résonance magnétique de type anatomique afin de produire une estimation la structure du réseau d'axones. L'objectif est d'estimer la structure 3D de la matière blanche en utilisant des connaissances a priori pour produire des résultats plus précis et cohérents. Notamment, nous proposons une approche reposant sur un filtre à particules pour modéliser la vraisemblance des structures estimées. Les résultats des méthodes développées sont comparés à d'autres méthodes sur des données synthétiques, sur des données cérébrales saines et sur des données cérébrales cliniques avec tumeurs cérébrales.

En raison de l'augmentation continuelle des coûts en santé, il est profitable de détecter et traiter tôt les cancers afin de diminuer les coûts de traitement à long terme. La problématique s'applique particulièrement au cancer de la prostate, qui constitue 25 % des nouveaux cas de cancer chaque année. Afin de pouvoir détecter avec un niveau de confiance élevé les petites tumeurs durant les premiers stades de développement, l'Imagerie par résonance magnétique (IRM) peut être utilisée en raison de la qualité de son imagerie des tissus mous. Cependant, les IRM offrent un accès limité au patient (diamètre < 70 cm), limitant ainsi les possibilités d'interventions intra-IRM.En combinant la précision et la polyvalence d'un système robotique et la précision de l'imagerie par IRM, il serait donc possible de pouvoir détecter et traiter tôt les petites tumeurs pour augmenter les chances de survie des patients, et ainsi, réduire une partie des coûts en santé. Les interventions visées incluent la biopsie (prélèvement), la cryothérapie (brûlure par le froid), la curiethérapie (dépôt de pastilles émettrices de radiations) et l'ablation thermique par laser. La compatibilité IRM (qui exige le fonctionnement sous un champ magnétique de plus de 7 teslas) et l'espace confiné sont les deux principaux défis de la robotique en IRM, et nécessitent l'implantation de nouveaux types d'actionneurs. Le mémoire présente la conception et la fabrication de muscles pneumatiques de polymère et leur application à un manipulateur robotisé pour le cancer de la prostate. L'intégration des muscles pneumatiques dans des structures de polymère permet de simplifier leur fabrication, en plus d'assurer plus de précision en diminuant les erreurs liées à la fabrication. Une méthode de conception est développée, utilisant un modèle de manipulateur et quatre modèles de muscles. La modélisation des muscles débute par un modèle géométrique et est suivie d'un raffinement géométrique par éléments finis. Les éléments finis servent également à valider l'hypothèse de déformation uniaxiale du muscle qui sert de prémisse au troisième modèle, un modèle 1-D analytique qui prédit les performances du muscle. Enfin, le muscle est modélisé en se basant sur une caractérisation expérimentale. Les muscles pneumatiques, intégrés dans une architecture parallèle, permettent d'améliorer la précision des interventions intra-IRM tout en maintenant un rapport efficacité-coût élevé. Les performances des muscles pneumatiques et du manipulateur sont validées expérimentalement et permettent d'atteindre les requis cliniques de l'application de détection et traitement du cancer de la prostate. Les expériences en laboratoire et en IRM ont en effet permis de démontrer une erreur en boucle fermée inférieure à 0.5 mm, une rigidité adéquate de 0.32 N/mm et une absence d'impact du manipulateur sur la qualité des images d'IRM. Enfin, les performances des muscles pneumatiques intégrés ouvrent la porte à de nouvelles applications et à un changement de paradigme pour la conception de robots binaires précis à faible coût.

Les convulsions fébriles (CF) surviennent chez 2 à 5 % des jeunes enfants. La grande majorité de ces épisodes sont complètement bénins et aucune conséquence ne découle de ces convulsions. Une récente étude a par contre démontré qu'au sein d'une population pédiatrique atteinte d'épilepsie du lobe temporal (ELT), plusieurs enfants ont développé des CF avant l'apparition de ce trouble neurologique. De plus, cette étude a démontré une prévalence élevée de double pathologie chez ces enfants (sclérose de l'hippocampe et malformation corticale), suggérant un lien de causalité entre les CF, la malformation corticale et le développement de l'ELT. En se basant sur ces observations cliniques, la présente étude a pour but d'étudier les changements morphologiques et métaboliques cérébraux survenant suite aux convulsions hyperthermiques chez un modèle raton atteint de dysplasie corticale focale. Pour ce faire, une analyse du changement d'intensité de signal IRM en pondération-T[indice inférieur 2] et de multiples images TEP obtenues à l'aide de différents radiotraceurs([[indice supérieur 18]F]-FDG, [[indice supérieur 13]N]-NH[indice inférieur 3], [[indice supérieur 11]C]-acétoacétate) a été effectuée. De plus, un suivi longitudinal du développement volumétrique de l'hippocampe et des ventricules latéraux a été effectué. Les résultats de cette étude présentent une atteinte plus prononcée de l'hippocampe suite aux convulsions hyperthermiques chez le cerveau avec dysplasie corticale. En effet, 5 h après l'induction des convulsions hyperthermiques, un hyposignal IRM T[indice inférieur 2] est présent dans l'hippocampe de ce groupe comparativement au groupe contrôle atteint de dysplasie corticale seule. Les images TEP acquises pendant des convulsions hyperthermiques prolongées révèlent une inhomogénéité importante de captation du [[indice supérieur 18]F]-FDG au sein des structures cérébrales. L'hippocampe est d'ailleurs la structure avec la plus faible captation de [[indice supérieur 18]F]-FDG. À P38, une atrophie de l'hippocampe dorsal et une dilatation des ventricules latéraux sont mesurées au sein du groupe d'intérêt. Nos observations nous amènent à poser l'hypothèse que les perturbations remarquées chez le rat adulte sont causées par une vascularisation immature et inhomogène de l'hippocampe à P10 causant une atteinte hypoxique durant l'épisode de convulsion fébrile atypique. Ces résultats suggèrent donc que l'hypoxie durant un épisode de convulsions fébrile atypique mérite d'être davantage investiguée afin de développer de nouvelles avenues thérapeutiques pouvant diminuer l'impact des convulsions fébriles atypiques sur le développement cérébral.

Les gels de polymère sont des dosimètres chimiques à l'intérieur desquels une réaction de polymérisation est induite par les radiations en fonction de la dose. Ces dosimètres ont la particularité de pouvoir donner des distributions de doses en trois dimensions. Ce type de mesure pourrait être particulièrement utile dans le contexte où, en radiothérapie moderne, les distributions de doses incluent souvent de forts gradients et deviennent de plus en plus complexes. Cependant, les gels de polymères ne s'avèrent toujours pas une méthode de mesure exacte, puisque divers facteurs, parfois difficilement contrôlables, peuvent influencer la polymérisation. Le but principal des expérimentations décrites dans ce mémoire est de trouver une méthode de calibration pouvant améliorer l'exactitude des gels de polymère. L'approche préconisée ici consiste à mesurer des points de dose de référence à l'intérieur des gels durant les irradiations et à les utiliser comme points de calibration. Pour ce faire, les détecteurs plastiques à scintillation (PSD) s'avèrent un choix judicieux, puisqu'ils sont petits, équivalents à l'eau et assez précis et exacts pour être une référence fiable. Dans un premier temps, un montage de détecteurs plastiques à scintillation a été fabriqué et caractérisé. Le montage et les logiciels d'analyse ont ensuite été validés par des mesures de rendement en profondeur faites avec un appareil au cobalt-60 en utilisant la déconvolution chromatique comme méthode de calibration. Des PSD ont ensuite été insérées dans des dosimètres à gel de polyacrylamide (PAG) qui sont ensuite irradiés à l'aide de champs radiatifs filtrés. Des fioles de calibrations contenant du gel provenant de la même recette ont également été irradiées pour obtenir une courbe de calibration dite standard. La distribution des valeurs de vitesses de relaxation nucléaire transverse (R[indice inférieur 2]) a été déterminée à partir d'une séquence multi-échos et multicouches faite à l'Imagerie par résonnance magnétique. D'autres points de calibrations furent obtenus en assignant la valeur de R[indice inférieur 2] autour des PSD à la valeur de la dose qu'elles ont mesurée. Un point de calibration provenant d'une fibre située dans une région à faible gradient de dose fut utilisé pour corriger la courbe calibration standard, générant trois nouvelles courbes de calibration.Les mesures de dose obtenues avec toutes les courbes de calibration ont ensuite été comparées à des simulations du logiciel de planification de traitement Pinnacle[indice supérieur 3] et à des mesures prises avec des films radiochromiques (GAFCHROMIC[indice supérieur TM] EBT2) dans les mêmes conditions que le gel.

Le glioblastome multiforme est le plus fréquent et le plus agressif des gliomes malins. Suite au diagnostic, la survie médiane des patients est de 12 à 15 mois. Le traitement de première ligne consiste en une chirurgie de résection suivie de chimiothérapie combinée à la radiothérapie. Malgré la combinaison de plusieurs modalités de traitement, la survie des patients n'est prolongée que de quelques mois. Or, plusieurs études ont démontré que les extraits de pelure de pomme peuvent inhiber la prolifération et induire la mort cellulaire de lignées cancéreuses in vitro, dont quelques-unes sur des cellules provenant de gliomes malins. Des propriétés anticancéreuses ont été observées in vivo sur des tumeurs d'hépatome, de cancer du sein et de mélanome. Dans ce contexte, il apparaissait intéressant d'évaluer le potentiel thérapeutique de la pelure de pomme dans le cancer cérébral. Nous avons donc conçu une étude en 2 volets: tout d'abord un volet in vitro impliquant 3 lignées cellulaires de gliomes de haut grade (F98, U-118 MG et U-87 MG) exposées à 0,1, 0,2 et 0,4 mg/mL de PPPS; puis un volet in vivo portant sur des tumeurs développées suite à l'implantation de cellules F98 chez les rats Fischer, qui ont été gavés quotidiennement avec de la PPPS (61,71 mg/kg ou 123,43 mg/kg) ou de l'eau (contrôle) à partir du 10e jour post implantation. Dans les 3 lignées cellulaires, les traitements de PPPS diminuent de façon significative le métabolisme cellulaire et augmentent la proportion de la population hypodiploïde. En présence de PPPS, la croissance et l'invasion des sphéroïdes de F98 et de U-87 MG sont inhibées. La PPPS diminue de moitié la proportion de cellules F98 en phase S, et fait augmenter dans les U-118 MG les deux marqueurs d’autophagie étudiés, soit p62 et LC3-II. Par contre, aucune différence dans la survie des rats Fischer-F98 n'a été observée entre le groupe contrôle et les groupes traités. La taille des tumeurs ainsi que les marqueurs d'apoptose et d'autophagie ne présentaient pas de différence entre les groupes. Les résultats obtenus ouvrent la voie à l'exploration plus approfondie des mécanismes des effets in vitro observés, tout en suggérant d'envisager d'autres voies d'administration de la PPPS in vivo.

Les récompenses possèdent plusieurs fonctions importantes, liées au plaisir, à la motivation et à l'apprentissage, qui façonnent notre comportement au quotidien. Il est aujourd'hui bien établi que ces fonctions sont prises en charge par un ensemble de régions cérébrales appelé " système de récompense ", dont la perturbation peut générer des comportements inadaptés tels que l'addiction. Néanmoins, toutes les récompenses ne sont pas équivalentes, et il n'y a pas lieu de penser que le cerveau répond de façon identique à chacune d'entre elles. Nous avons testé cette hypothèse à l'aide de l'Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle (IRMf), en adoptant trois angles d'approche différents. Une première expérience s'est concentrée sur la distinction entre récompenses primaires (i.e. ancestrales et concrètes) et secondaires (i.e. évoluées et abstraites), étudiée ici à travers l'exemple des images érotiques et de l'argent. En plus d'un réseau cérébral activé en commun par ces récompenses, nos résultats ont montré une dissociation au sein du cortex orbitofrontal (OFC), recruté spécifiquement dans sa partie postérieure par les récompenses primaires, et spécifiquement dans sa partie antérieure par les récompenses secondaires. Ce résultat soutient l'idée générale d'un gradient de complexité croissante le long de l'axe postéro-antérieur de l'OFC. Dans la deuxième étude, nous avons comparé, au moyen d'une approche méta-analytique quantitative, les activités cérébrales rapportées dans la littérature en réponse à des gains monétaires, des goûts plaisants et des stimuli érotiques visuels. Les résultats obtenus étayent les conclusions de la première étude, et confirment parallèlement l'existence de réponses cérébrales spécifiques à chaque type de récompense. Enfin, dans la troisième étude, nous nous sommes intéressés au jeu pathologique, en formulant l'hypothèse d'un déséquilibre de la sensibilité aux récompenses monétaires versus non-monétaires. Les résultats obtenus confortent cette prédiction, en suggérant principalement une perturbation du traitement des récompenses non-monétaires dans le striatum ventral des joueurs. Dans l'ensemble, ces résultats apportent un éclairage nouveau sur l'architecture fonctionnelle du système de récompense, à la fois chez des individus sains et des individus joueurs pathologiques

Le présent mémoire introduit une nouvelle méthode de traitement des données IRMd permettant d’extraire des caractéristiques dans des endroits spécifiques du cerveau. Une méthode d’assurance qualité test-retest est également présentée et est appliquée à la nouvelle méthode de traitement dans le but d’assurer qu’elle extrait des résultats robustes. Enfin, cette méthode de traitement est appliquée à une base de données de patients atteints de la maladie de Parkinson et des différences significatives sont trouvées dans des régions spécifiques du cerveau où se connectent entre autres les régions motrices. Ces résultats concordent avec ceux d’autres études portant sur cette maladie.