L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil remarquable pour le diagnostic clinique, aussi bien pour l'imagerie cérébrale que pour l'imagerie cardiaque et abdominale. En IRM cardiaque, deux problèmes sont récurrents : la non reproductibilité des cycles cardiaques et le mouvement respiratoire. L'IRM cardiaque morphologique est généralement faite avec une séquence composée d'une préparation longue, visant à annuler le signal du sang pour accentuer le contraste au niveau du myocarde, et de l?acquisition à proprement parler. Ces acquisitions sont généralement faites en mésodiastole (phase de relaxation passive du coeur) ce qui permet de satisfaire les contraintes liées à l'annulation du sang et d'éviter les problèmes liés aux non reproductibilités des cycles cardiaques car la mésodiastole est longue. Il est donc difficile de satisfaire les contraintes liées à l?annulation du sang pour faire les acquisitions en télésystole (phase où le coeur est contracté) à cause des non reproductibilités cardiaques car la télésystole est courte. Afin de passer outre ces limitations et de pouvoir acquérir ces mêmes images morphologiques en télésystole, nous proposons une nouvelle méthode adaptative qui permet à la fois de placer la fenêtre d'acquisition de manière optimale et de satisfaire les contraintes liées à l'annulation du sang. Une application de cette méthode a également été mise en place pour estimer et comparer les temps de relaxation transversale (T2) entre télésystole et mésodiastole. Pour la gestion prospective du mouvement respiratoire, le point crucial est d'estimer les mouvements en temps réel en perturbant au minimum les signaux de résonance magnétique. Pour ce faire nous proposons une méthode basée sur l'estimation paramétrique des mouvements en temps réel à partir des signaux physiologiques disponibles (ceintures respiratoires et ECG). Cette méthode a été testée et les résultats montrent son intérêt et sa fiabilité par rapport aux erreurs faites au niveau du mouvement. Une méthode de reconstruction incluant les mouvements a également été utilisée pendant ces travaux afin de faire de l'imagerie en télésystole en respiration libre et d'utiliser d'autres types de capteurs respiratoires comme certains signaux de résonance magnétique. Ainsi pendant ces travaux, des méthodes adaptatives ont été mises en place afin de mieux gérer le mouvement et de prendre en compte les spécificités de chaque patient. Ces travaux ouvrent la voie de l'imagerie par résonance magnétique adaptative pleinement fonctionnelle dans un contexte clinique / Magnetic resonance imaging (MRI) is a valuable tool for the clinical diagnosis for brain imaging as well as cardiac and abdominal imaging. In cardiac MRI, there are two challenging issues: the non reproducibility of cardiac cycles and respiratory motion. Morphological cardiac MRI is generally performed with a pulse sequence composed of a long preparation, to cancel the blood signal and thus enhance the contrast of the myocardium, and the acquisition itself. These acquisitions are performed during the mid-diastolic rest (relaxation period of the heart) to satisfy constraints to cancel the blood signal and to avoid problems linked to the cardiac non reproducibility because the mid-diastolic rest is long. Consequently, to acquire images in end-systolic rest (when the heart is fully contracted) while taking into account constraints to cancel the blood signal is not straight forward due to cardiac non reproducibility because the end-systolic rest is short. To overcome these limitations and to acquire images in end-systolic rest, a new adaptive method is introduced that allows to optimally placing acquisition windows while taking constraint for the cancellation of the blood signal into account. This method was applied to measure and compare transverse relaxation time (T2) between end-systolic and mid-diastolic rests. For prospective respiratory motion correction, the crucial point is to estimate motion in real-time without perturbing MR signal used for imaging. In order to solve this issue, a new method is introduced aiming at estimating motion parameters in real-time based on physiological signals such as respiratory bellows and ECG. This method is evaluated and results show its interest and its reliability regarding motion estimation errors. A reconstructions algorithm is also used in order to perform cardiac imaging during the end-systolic rest in free breathing and to use different kind of respiratory motion sensors such as MR signals. Hence, during this research work, several adaptive method were developed to get a better management of motion and to take into account specificity of each patient. These works open the way of fully functional adaptive magnetic resonance imaging in a clinical situation

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) présente deux caractéristiques principales. La première, sa capacité à manipuler le contraste, constitue son principal avantage par rapport aux autres modalités d'imagerie. Cela permet d'obtenir des informations complémentaires pour une meilleure détectabilité et une meilleure précision dans le diagnostic. Cela est particulièrement appréciable pour les pathologies du myocarde. La seconde caractéristique de l'IRM est également l'un de ces principaux inconvénients : le processus d'acquisition est relativement lent. De ce fait, les mouvements du patient constituent un obstacle important puisqu'ils perturbent ce processus d'acquisition, ce qui se traduit par des artéfacts dans l'image reconstruite. L'imagerie cardiaque et abdominale sont donc particulièrement sensibles à cette problématique du mouvement. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une méthode de correction de mouvement intégrable dans un contexte multi-contraste. Nous avons étudié dans un premier temps la question de la correction de mouvement seule. Pour cela, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à la méthode GRICS déjà développée au laboratoire IADI. Cette méthode permet la reconstruction conjointe d'une image sans artéfact et d'un modèle de mouvement non rigide permettant de corriger les déplacements qui surviennent pendant l'acquisition. Le premier apport majeur de cette thèse a consisté à améliorer la méthode GRICS, notamment pour l'adapter à l'imagerie volumique 3D. Il s'agit d'une nouvelle méthode de régularisation adaptative particulièrement adaptée au problème inverse posé dans GRICS. Le second apport majeur de cette thèse a consisté à gérer la correction de mouvement GRICS de manière conjointe sur des acquisitions présentant des contrastes différents. Il s'agit de concevoir l'examen IRM comme un tout et d'exploiter au mieux les informations partagées entre les différents contrastes. Toutes ces méthodes ont été appliquées et validées par des simulations, des tests sur fantôme, sur volontaires sains et sur des patients dans la cadre d'études cliniques. L'application cardiaque a été particulièrement visée. Les méthodes développées ont permis d'améliorer le processus d'acquisition et de reconstruction dans le contexte clinique réel / Magnetic Resonance Imaging (MRI) has two main features. The first one, its ability to manipulate contrast, is a major advantage compared to the other imaging modalities. It allows to access complementary information for a better detectability and a diagnostic more accurate. This is especially useful for myocardium pathologies. The second feature of MRI is also one of its main drawbacks: the acquisition process is slow. Therefore, patient motion is a significant obstacle because it disturbs the acquisition process, which leads to artifacts in the reconstructed image. Cardiac and thoracic imaging are particularly sensitive to this motion issue. The aim of this thesis is to develop a new motion correction method that can be integrated in a multi-contrast workflow. In a first phase, we studied apart the motion correction problem. To do so, we focused more particularly on the GRICS method which was already developed in the IADI laboratory. This method allows the joint reconstruction of an image free from artifact and a non-rigid motion model that describes the displacements occurring during the acquisition. The first major contribution of this thesis is an improvement of the GRICS method consisting mainly in adapting it to the 3D imaging. This was achieved with a new adaptive regularization method that perfectly suits the inverse problem posed in GRICS. The second major contribution of this thesis consists in the simultaneous management of the motion correction on multiple acquisitions with different contrasts. To do so, the MRI examination is considered as a whole. Thus we make the most of information shared between the different contrasts. All these methods have been applied and validated by simulations, tests on phantom, on healthy volunteers and on patients as part of clinical studies. We aimed more particularly at cardiac MR. Finally the developed methods improve the acquisition and reconstruction workflow in the framework of a real clinical routine

En imagerie par résonance magnétique cardiaque et thoracique, les mouvements cardiaques et respiratoires sont enregistrés avec des capteurs tels que les capteurs ECG et les ceintures respiratoires pour synchroniser les acquisitions et pour pratiquer des corrections rétrospectives des images. Le positionnement de ces capteurs augmente le temps de préparation des patients. Il présuppose également la tolérance des patients à être placés dans un espace restreint et déjà contraint par l'antenne radio-fréquence (RF) nécessaire à l'imagerie. Enfin, ces capteurs peuvent diminuer la qualité du signal et donc celle des images. Dans ces travaux, l'antenne RF déjà présente pour la réalisation de l'examen d'imagerie a été elle-même étudiée en tant que capteur de mouvements. Les variations des propriétés électromagnétiques des tissus dues aux mouvements se répercutent de manière directe sur l'impédance de l'antenne. Les variations d'impédance induites par les mouvements ont été étudiées dans des dispositifs utilisant soit des antennes RF volumiques ou des antennes RF surfaciques sur des objets-test animés et sur des sujets sains. Les mouvements respiratoires, cardiaques et les taux sanguins ont été enregistrés avec cette méthode. Puis, les résultats expérimentaux ont été comparés à des simulations électromagnétiques et aux données de la littérature. Une correction de mouvements rétrospective avec l'algorithme GRICS a été appliquée à ces données démontrant la faisabilité de l'utilisation des antennes d'imagerie comme capteurs de mouvements / Especially in cardiac and thoracic magnetic resonance imaging, respiratory motion and heart movement need to be registered using sensors like electrocardiogram or respiratory belts, in order to trigger the image acquisition or perform retrospective corrections. The placement of the sensors extends the patient preparation time, is critical for signal quality and, hence, image quality, and expects patients to tolerate additional sensors besides the imaging coil and space restrictions. In this work, the imaging coil itself was investigated for sensor-less motion registration. Motion-related variations of the electromagnetic properties of tissue have a direct effect on the coil impedance. Lung motion, myocardial-related motion, and vascular blood flow were registered with this method. The experimental findings were compared to electromagnetic simulations and the data gathered by state-of-the-art sensors, and retrospective motion correction with the GRICS algorithm was executed

L’Imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil fondamental pour l’exploration in vivo du développement du cerveau chez le fœtus, le bébé et l’enfant. Elle fournit plusieurs paramètres quantitatifs qui reflètent les changements des propriétés tissulaires au cours du développement en fonction de différents processus de maturation. Cependant, l’évaluation fiable de la maturation de la substance blanche est encore une question ouverte: d'une part, aucun de ces paramètres ne peut décrire toute la complexité des changements sous-jacents; d'autre part, aucun d'eux n’est spécifique d’un processus de développement ou d’une propriété tissulaire particulière. L’implémentation d’approches multiparamétriques combinant les informations complémentaires issues des différents paramètres IRM devrait permettre d’améliorer notre compréhension du développement du cerveau. Dans ce travail de thèse, je présente deux exemples de telles approches et montre leur pertinence pour l'étude de la maturation des faisceaux de substance blanche. La première approche fournit une mesure globale de la maturation basée sur la distance de Mahalanobis calculée à partir des différents paramètres IRM (temps de relaxation T1 et T2, diffusivités longitudinale et transverse du tenseur de diffusion DTI) chez des nourrissons (âgés de 3 à 21 semaines) et des adultes. Cette approche offre une meilleure description de l’asynchronisme de maturation à travers les différents faisceaux que les approches uniparamétriques. De plus, elle permet d'estimer les délais relatifs de maturation entre faisceaux. La seconde approche vise à quantifier la myélinisation des tissus cérébraux, en calculant la fraction de molécules d’eau liées à la myéline (MWF) en chaque voxel des images. Cette approche est basée sur un modèle tissulaire avec trois composantes ayant des caractéristiques de relaxation spécifiques, lesquelles ont été pré-calibrées sur trois jeunes adultes sains. Elle permet le calcul rapide des cartes MWF chez les nourrissons et semble bien révéler la progression de la myélinisation à l’échelle cérébrale. La robustesse de cette approche a également été étudiée en simulations. Une autre question cruciale pour l'étude du développement de la substance blanche est l'identification des faisceaux dans le cerveau des enfants. Dans ce travail de thèse, je décris également la création d'un atlas préliminaire de connectivité structurelle chez des enfants âgés de 17 à 81 mois, permettant l'extraction automatique des faisceaux à partir des données de tractographie. Cette approche a démontré sa pertinence pour l'évaluation régionale de la maturation de la substance blanche normale chez l’enfant. Pour finir, j’envisage dans la dernière partie du manuscrit les applications potentielles des différentes méthodes précédemment décrites pour l’étude fine des réseaux de substance blanche dans le cadre de deux exemples spécifiques de pathologies : les épilepsies focales et la leucodystrophie métachromatique. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a fundamental tool for in vivo investigation of brain development in newborns, infants and children. It provides several quantitative parameters that reflect changes in tissue properties during development depending on different undergoing maturational processes. However, reliable evaluation of the white matter maturation is still an open question: on one side, none of these parameters can describe the whole complexity of the undergoing changes; on the other side, neither of them is specific to any particular developmental process or tissue property. Developing multiparametric approaches combining complementary information from different MRI parameters is expected to improve our understanding of brain development. In this PhD work, I present two examples of such approaches and demonstrate their relevancy for investigation of maturation across different white matter bundles. The first approach provides a global measure of maturation based on the Mahalanobis distance calculated from different MRI parameters (relaxation times T1 and T2, longitudinal and transverse diffusivities from Diffusion Tensor Imaging, DTI) in infants (3-21 weeks) and adults. This approach provides a better description of the asynchronous maturation across the bundles than univariate approaches. Furthermore, it allows estimating the relative maturational delays between the bundles. The second approach aims at quantifying myelination of brain tissues by calculating Myelin Water Fraction (MWF) in each image voxel. This approach is based on a 3-component tissue model, with each model component having specific relaxation characteristics that were pre-calibrated in three healthy adult subjects. This approach allows fast computing of the MWF maps from infant data and could reveal progression of the brain myelination. The robustness of this approach was further investigated using computer simulations. Another important issue for studying white matter development in children is bundles identification. In the last part of this work I also describe creation of a preliminary atlas of white matter structural connectivity in children aged 17-81 months. This atlas allows automatic extraction of the bundles from tractography datasets. This approach demonstrated its relevance for evaluation of regional maturation of normal white matter in children. Finally, in the last part of the manuscript I describe potential future applications of the previously developed methods to investigation of the white matter in cases of two specific pathologies: focal epilepsy and metachromatic leukodystrophy.

La thrombolyse intraveineuse (TIV) est le seul traitement médical autorisé à la phase aiguë de l’infarctus cérébral (IC). Malgré ce traitement, un patient sur deux présente un mauvais pronostic fonctionnel à 3 mois (score mRS>2), ce qui s’explique le plus souvent par l’absence de recanalisation précoce ou la survenue d’une hémorragie intracrânienne symptomatique (sICH). Nos objectifs étaient, d’une part, de déterminer s’il est possible d’estimer le pronostic fonctionnel (mRS) 3 mois après TIV à partir de variables cliniques et IRM disponibles à l’admission, et, d’autre part, d’étudier les relations entre l’évolution au cours des premières 24 heures et le mRS à 3 mois. Nous avons collecté les données cliniques et d’IRM de l’ensemble des patients traités par TIV pour un IC≤4h30 entre 2003 et 2015 à l’hôpital Sainte-Anne. (1) Nous avons proposé le score MRI-DRAGON, un outil simple basé sur 7 variables cliniques et IRM disponibles à l’admission, qui permet une prédiction satisfaisante du mRS>2. 3 mois après un IC traité par TIV (c=0,83 [0,78-0,88]). (2) Nous avons ensuite réalisé une validation externe de ce score sur la cohorte du CHRU de Lille, confirmant qu’il présente une discrimination et une calibration satisfaisantes, malgré une surestimation du risque de mRS>2 en cas de score MRI-DRAGON élevé. (3) Afin d’essayer d’améliorer la prédiction, nous avons étudié les relations entre microsaignements (CMBs) sur l’IRM initiale et pronostic fonctionnel, et montré que le nombre de CMBs n’était pas un prédicteur indépendant du mRS à 3 mois, après ajustement sur les facteurs de confusion (âge, HTA). Nous avons par ailleurs étudié les relations entre l’évolution clinique très précoce après TIV et mRS à 3 mois, à partir de deux situations: (4) Premièrement, l’absence d’amélioration neurologique 1 heure après le début de la TIV en cas d’occlusion artérielle proximale, présente chez 77% des patients et fortement associée au mRS à 3 mois, mais qui n’améliorait pas la prédiction par rapport au score MRI-DRAGON. (5) Deuxièmement, l’aggravation neurologique survenant dans les 24 heures après le début de la TIV (END), dont l’incidence au sein de notre revue systématique était de 14%. (6) Au sein de notre cohorte, la valeur prédictive positive de l’END pour le mRS>2 à 3 mois était de 90%. L’END de cause indéterminée représentait 70% des END, et était associé à l’absence d’antiplaquettaire avant l’admission, la présence d’une occlusion artérielle proximale, d’un important mismatch diffusion-perfusion, et l’absence de recanalisation. Nous avons proposé un score simple permettant de prédire dès l’admission le pronostic fonctionnel à 3 mois d’un patient traité par TIV pour IC aigu. Il pourrait être utilisé pour guider la décision thérapeutique en identifiant les patients ayant une forte probabilité de mRS ≤2 après TIV seule. Par ailleurs, notre travail suggère que la prise en compte des CMBs avant TIV ne permet pas d’améliorer la prédiction pronostique, et que l’association entre CMBs et mRS n’est pas indépendante. Nous participons actuellement à une méta-analyse internationale sur données individuelles visant à déterminer si un sous-groupe de patients avec CMBs présente un risque de sICH si important qu’il pourrait annuler le bénéfice attendu de la TIV. Bien que l’absence d’amélioration neurologique à 1 heure soit fortement associée au mRS>2 à 3 mois, elle ne semble pas être un outil suffisamment robuste pour guider la décision d’une thrombectomie complémentaire à la TIV (bridging therapy), et ne doit donc pas retarder le geste endovasculaire. Enfin, nos résultats suggèrent que la majorité des END sont favorisés par la persistance d’une hypoperfusion cérébrale, et qu’une part d’entre eux pourrait être prochainement évitée, depuis la démonstration fin 2014, de la nette supériorité du bridging therapy par rapport à la TIV seule concernant la recanalisation artérielle. (...) / Intravenous thrombolysis (IVT) is the only licensed drug for acute ischemic stroke (AIS). However, about half of the treated patients do not achieve functional independence at 3 months (mRS>2), mostly due to lack of early recanalization or symptomatic intracranial hemorrhage (sICH). Firstly, we aimed to determine if 3-month outcome (mRS) after IVT can be reliably predicted based on clinical and MRI variables available at admission. Secondly, we assessed the relationships between the clinical course within 24 hours after IVT and 3-month mRS. We collected clinical and MRI data of all patients treated by IVT ≤4.5 hrs for AIS between 2003 and 2015 in Sainte-Anne hospital, Paris. (1) We derived the MRI-DRAGON score, a simple tool consisting of 7 clinical and MRI variables available at admission, which can reliably predict 3-month mRS>2 (c-statistic=0.83 [0.78-0.88]). (2) We then performed an external validation of this score in the Lille cohort, showing good discrimination and calibration of the model, despite an overestimation of the risk of mRS>2 in patients with a high MRI-DRAGON score. (3) Trying to find additional predictors of long-term outcome, we showed that the cerebral microbleed (CMB) burden at baseline was not an independent predictor of 3-month mRS after adjusting for confounding factors (age and hypertension).Furthermore, we assessed the relationships between early clinical course after IVT and 3-month mRS, based on two common clinical events: (4) Firstly, the lack of very early neurological improvement (VENI) 1 hour after IVT, which was observed in 77% patients and strongly associated with 3-month mRS, but did not improve the predictive ability of the model when incorporated into the MRI-DRAGON score. (5) Secondly, early neurological deterioration (END) within 24 hours after IVT, occuring in 14% patients in our systematic review and meta-analysis. (6) In our cohort, the positive predictive value of END for 3-month mRS>2 prediction was 90%. END of undetermined cause (ENDunexplained) accounted for 70% of ENDs, and was associated with no prior use of antiplatelets, proximal artery occlusion, DWI-PWI mismatch volume and lack of recanalization. We proposed a simple score to predict 3-month mRS soon after admission in patients treated by IVT for AIS. It may be used to help therapeutic decisions, by identifying patients likely to achieve 3-month mRS ≤2 after IVT alone. We have also shown that CMB burden before IVT is not an independent predictor or 3-month outcome. We participate in an ongoing international individual patient data meta-analysis to determine whether there is a subgroup of patients with CMBs, which seems to have an independent risk of poor 3-month outcome so important that it might outweigh the expected benefit of IVT. Although lack of VENI 1 hour after IVT is strongly associated with 3-month mRS>2, it doesn’t seem to be specific enough to guide decision-making regarding additional thrombectomy (bridging therapy), and should therefore not delay an endovascular procedure. Finally, our results suggest that a persistent cerebral hypoperfusion contributes to most ENDs. Therefore, many ENDs might be avoided in a near future, given the recent proof of the clear superiority of bridging therapy over IVT alone regarding recanalization. This revolution in acute stroke management leads the way to important clinical research perspectives, such as developing a tool to accurately predict 3-month mRS after bridging therapy. Important research efforts will be needed to develop a personalized treatment algorithm, helping to determine which therapeutic option (bridging therapy, IVT alone, thrombectomy alone, or no recanalization therapy) would be the best for each patient.

L'objectif de cette thèse repose sur le développement et la mise en œuvre des techniques de transmission parallèle (pTx) en Imagerie par Résonance Magnétique pour homogénéiser l’excitation des spins dans le cerveau humain à ultra-haut champ. Afin de permettre des démonstrations in-vivo, un concept de sécurité conservateur mais viable est introduit pour le contrôle de la puissance de la radiofréquence (RF) transmise. Par la suite, de nouvelles méthodes de minimisation du Taux d’Absorption Spécifique local et de conception d’impulsions RF non-sélectives sont investiguées. L’impact de ces impulsions courtes et relativement peu énergétiques, appelées « kT-points », est d'abord démontré dans l’approximation des petits angles de bascule de l’aimantation. Pour cibler un éventail d’applications plus large, la conception de type kT-points est ensuite généralisée en englobant les excitations à grand angle de bascule et les inversions. Cette méthode est appliquée à l'une des séquences pondérées en T1 les plus couramment utilisées en neuro-imagerie. Les résultats ainsi obtenus à 7 Tesla sont comparés à des images acquises avec une configuration clinique à 3 Tesla. Les principes de la méthode sont ainsi validés et démonstration est faite que la transmission parallèle permet aux systèmes à très haut champ d’être aussi compétitifs en imagerie pondérée en T1. Enfin, des simplifications dans la conception globale de la pTx sont étudiées pour un meilleur rapport coût-efficacité des solutions proposées. / The focus of this thesis lies on the development, and implementation, of parallel transmission (pTx) techniques in magnetic resonance imaging for flip-angle homogenization throughout the human brain at ultra-high field. In order to allow in-vivo demonstrations, a conservative yet viable safety concept is introduced to control the absorbed radiofrequency (RF) power . Subsequently, novel methods for local SAR control and non-selective RF pulse-design are investigated. The impact of these short and energy-efficient waveforms, referred to as kT-points, is first demonstrated in the context of the small-tip-angle domain. Targeting a larger scope of applications, the kT-points design is then generalized to encompass large flip angle excitations and inversions. This concept is applied to one of the most commonly used T1-weighted sequences in neuroimaging. Results thus obtained at 7 Tesla are compared to images acquired with a clinical setup at 3 Tesla, validating the principles of the kT-points method and demonstrating that pTx-enabled ultra-high field systems can also be competitive in the context of T1-weighted imaging. Finally, simplifications in the global design of the pTx-implementation are studied in order to obtain a more cost-effective solution.

La science a avancé depuis le XIX ème siècle. Des nouveaux outils sont apparus : la microscopie optique nous donne la vision des cellules, la microscopie électronique nous entraine au cœur de celles-ci. L’imagerie par résonance magnétique est apparue dans les années soixante-dix. Depuis son évolution, l’IRM nous entraine de plus en plus loin dans les profondeurs secrètes de nos cerveaux. La possibilité d’observer l’activité neuronale à l’aide de l’imagerie fonctionnelle est une grande révolution. Cette thèse montrera la possibilité que l’on a d’observer l’activité d’un neurone individuel sans modification de son réseau grâce à l’imagerie rehaussée au manganèse. L’étude sera effectuée sur des Aplysies à très haut champ (17T). Ces animaux sont des mollusques marins gastropodes qui possèdent une particularité : leurs neurones sont de tailles importantes, ils peuvent atteindre 1 mm de diamètre. Leurs neurones sont regroupés en plusieurs ganglions. Mon étude portera sur le ganglion buccal, qui est le ganglion le plus étudié dans les recherches en électrophysiologie. Avant de réaliser les acquisitions, j’ai dû concevoir plusieurs antennes de tailles microscopiques adaptées à la taille des ganglions. En réduisant la taille des antennes, le rapport signal sur bruit augmente. Dans un deuxième temps, une double antenne a été développée permettant l’acquisition de deux échantillons simultanément. Cette antenne a nécessité de créer des préamplificateurs fonctionnant à 730 MHz. La première série d’expériences a permis d’observer l’évolution de l’activité neuronale selon différents stimulus liés au comportement alimentaire des aplysies in-vivo. J’ai montré grâce à la technique mise en place que l’on peut distinguer par IRM l’activité de chaque neurone face à un stimulus. Par la suite, pour continuer ce travail, une deuxième série d’expériences a été effectuée in-vitro. J’ai étudié le comportement des neurones selon les neuro-stimulateurs perfusés : la dopamine et la sérotonine, tous les deux présents naturellement dans l’aplysie. Globalement les neurones ont été activés mais après les avoir observés individuellement, j’ai remarqué quelques différences selon les neurotransmetteurs. Cette technique peut maintenant être utilisée pour étudier d’autres conduites de l’aplysie comme le comportement compulsif. L’étude sur la mémoire peut être aussi envisagée. Les origines comportementales ont probablement des mécanismes identiques entre les différentes espèces animales et donc avec l’Homme comme l’a démontré les études d’Eric Kandel sur la mémoire. / Science has evolved since the 19th century. New tools have appeared such as optical microscopy which gives us the vision of cells and electronic microscopy which leads us into their hearts. The magnetic resonance imaging appeared in the seventies. Evolving over time, the MRI has taken us farther and farther into the secret depths of our brains. The possibility of observing the neuronal activity thanks to the functional imaging is a major evolution. This thesis will show the possibility we have to observe the activity of a single neuron without modification of its network thanks to the manganese enhanced magnetic resonance imaging technique. The study was done on the Aplysia at very high field magnet (17T). These animals are marine gastropod mollusks with a peculiarity: their neurons are of important size and can reach 1 mm in diameter. Their neurons are grouped into several ganglia. My study concerns the buccal ganglion which is the most studied ganglia in the research in electrophysiology. Before making any acquisitions, I had to conceive several microscopic coils adapted to the size of the ganglions. By reducing the size of the coils, the signal of the noise ratio increases. Then, a double coil allowing the simultaneous acquisition of two samples was built. This antenna required the construction of pre-amplifiers operating at 730 MHz. The first series of experiments helped observe the evolution of the neuronal activity according to different stimuli linked to the eating habits of the Aplysia in vivo. Thanks to the technique implemented, I shall show that, using MRI, it is possible to distinguish the activity of each neuron with respect to a stimulus. Afterwards, to continue this work, a second series of experiments was made in vitro. I studied the behavior of neurons when perfused with neural stimulators: dopamine and serotonin, both naturally present in the Aplysia. Generally, all neurons were activated but when observing them individually, I noticed some differences. Studies in electrophysiology will allow us to get a better understanding and a confirmation of the results of this study. The MEMRI technique can be used in the future to study various disorders such as compulsive behaviors, which are present in the Aplysia, and probably have the same origins as in humans, given that many fundamental processes (such as memory studied by Eric Kandel who he demonstrated that human and Aplysia memories works with the same mechanism) are similar between the two species.

Elle peut être estimée par deux indices : la distensibilité de la paroi aortique et la vitessede propagation de l'onde de pouls (VOP) le long de l'artère. Ces marqueurs peuvent êtreobtenus dans l'aorte proximale grâce à l'imagerie de résonance magnétique (IRM) et sontreliés entre eux par le modèle de Bramwell-Hill. L'objectif de cette thèse est, d'une part, deproposer et de valider cliniquement des méthodes d'estimation de la distensibilité et de laVOP aortique, et, d'autre part, d'étudier le modèle théorique de Bramwell-Hill, au regarddes données cliniques. Nous avons dans un premier temps comparé différentes méthodesd'estimation de la distensibilité de l'aorte. Cette étude a permis d'identifier l'approche quifournit la meilleure description physiologique de l'aorte ascendante et descendante. Ensuite,nous avons proposé une nouvelle méthode de mesure de la VOP proximale. Celle-cia été validée par comparaison avec les méthodes proposées dans la littérature en termesde reproductibilité et de corrélations des mesures avec : 1) l'âge : facteur de risque "naturel " de la rigidité aortique chez des sujets sains, et 2) la VOP carotido-fémoralemesurée par tonométrie, méthode de référence utilisée en routine clinique pour estimer larigidité globale de l'aorte. Enfin, nous avons validé le modèle théorique de Bramwell-Hillau niveau des sections de l'aorte ascendante et descendante. En conclusion, nous avonsproposé des approches locale et régionale d'évaluation de la rigidité de l'aorte proximaleet nous en avons validé la robustesse, notamment dans le cadre du vieillissement artériel. / The aortic stiffness is recognized as a major factor of cardiovascular risk, and is characterizedby distensibility and pulse wave velocity (PWV) measurements. These aorticindices are related according to the Bramwell-Hill model and can be assessed in the proximalaorta with magnetic resonance imaging (MRI). The aims of this thesis were : 1) topropose and validate clinical methods for estimating the distensibility and aortic PWVfrom MRI data, and 2) to study the theoretical model of Bramwell-Hill in the light ofclinical data. First, we compared different methods for estimating the distensibility ofthe aorta. This study permitted to identify the approach which provides the best physiologicaldescription of the ascending and descending aorta. Then we proposed a newmethod for estimating the PWV in the proximal aorta, which was validated by comparisonwith previously described methods in terms of reproducibility and correlation ofaortic PWV with : 1) age : major risk factor of aortic stiffness in healthy subjects, and 2)carotid-femoral PWV measured by tonometry, gold standard method in clinical routinefor estimating the overall stiffness of the aorta. Finally, we validated the theoretical modelof Bramwell-Hill at the sections of the ascending and descending aorta. In conclusion, weproposed local and regional approaches to assess the stiffness of the proximal aorta, andwe validated its robustness, particularly in the context of aging.

Le cancer de la prostate est la deuxième cause de mortalité chez l’homme en France. L’IRM multiparamétrique est considérée comme la technique la plus prometteuse pour permettre une cartographie du cancer, ouvrant la voie au traitement focal, alternatif à la prostatectomie radicale. Néanmoins, elle reste difficile à interpréter et est sujette à une forte variabilité inter- et intra-expert, d’où la nécessité de développer des systèmes experts capables d’aider le radiologue dans son diagnostic. Nous proposons un système original d’aide au diagnostic (CAD) offrant un second avis au radiologue sur des zones suspectes pointées sur l’image. Nous évaluons notre système en nous appuyant sur une base de données clinique de 30 patients, annotées de manière fiable et exhaustive grâce à l’analyse des coupes histologiques obtenues par prostatectomie. Les performances mesurées dans des conditions cliniques auprès de 12 radiologues, sans et avec notre outil, démontrent l’apport significatif de ce CAD sur la qualité du diagnostic, la confiance des radiologues et la variabilité inter-expert. La création d’une base de corrélations anatomo-radiologiques est une tâche complexe et fastidieuse. Beaucoup d’études n’ont pas d’autre choix que de s’appuyer sur l’analyse subjective d’un radiologue expert, entâchée d’incertitude. Nous proposons un nouveau schéma de classification, basé sur l’algorithme du séparateur à vaste marge (SVM), capable d’intégrer, dans la fonction d’apprentissage, l’incertitude sur l’appartenance à une classe (ex. sain/malin) de certains échantillons de la base d’entraînement. Les résultats obtenus, tant sur des exemples simulés que sur notre base de données cliniques, démontrent le potentiel de ce nouvel algorithme, en particulier pour les applications CAD, mais aussi de manière plus générale pour toute application de machine learning s’appuyant sur un étiquetage quantitatif des données / Prostate cancer is one of the leading cause of death in France. Multi-parametric MRI is considered the most promising technique for cancer visualisation, opening the way to focal treatments as an alternative to prostatectomy. Nevertheless, its interpretation remains difficult and subject to inter- and intra-observer variability, which motivates the development of expert systems to assist radiologists in making their diagnosis. We propose an original computer-aided diagnosis system returning a malignancy score to any suspicious region outlined on MR images, which can be used as a second view by radiologists. The CAD performances are evaluated based on a clinical database of 30 patients, exhaustively and reliably annotated thanks to the histological ground truth obtained via prostatectomy. Finally, we demonstrate the influence of this system in clinical condition based on a ROC analysis involving 12 radiologists, and show a significant increase of diagnostic accuracy, rating confidence and a decrease in inter-expert variability. Building an anatomo-radiological correlation database is a complex and fastidious task, so that numerous studies base their evaluation analysis on the expertise of one experienced radiologist, which is thus doomed to contain uncertainties. We propose a new classification scheme, based on the support vector machine (SVM) algorithm, which is able to account for uncertain data during the learning step. The results obtained, both on toy examples and on our clinical database, demonstrate the potential of this new approach that can be extended to any machine learning problem relying on a probabilitic labelled dataset

L'objet de cette thèse est la modélisation computationnelle de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), appliquée à l'imagerie des réseaux vasculaires. Les images sont influencées par la géométrie des vaisseaux mais aussi par le flux sanguin. Par ailleurs, outre la qualité des modèles développés, il est important que les calculs soient performants. C'est pourquoi, le calcul parallèle est utilisé pour gérer ce type de problèmes complexes. Dans cette thèse, trois solutions sont proposées. La première concerne les algorithmes parallèles pour la modélisation des réseaux vasculaires. Des algorithmes dédiés à différentes architectures sont proposés. Le premier est basé sur le modèle de « passage de messages » pour les machines à mémoires distribuées. La parallélisation concerne l'irrigation de nouvelles zones de tissu par les vaisseaux existants. Le deuxième algorithme est dédié aux machines à mémoire partagée. Il parallélise également le processus de perfusion mais des processeurs différents se chargent de gérer les différents arbres vasculaires. Le troisième algorithme est une combinaison des approches précédentes offrant une solution pour les architectures parallèles hybrides. Les algorithmes proposés permettent d'accélérer considérablement la croissance des réseaux vasculaires complexes, ce qui rend possible la simulation de structures vasculaires plus précises, en un temps raisonnable et aide à améliorer le modèle vasculaire et à tester plus facilement différents jeux de paramètres. Une nouvelle approche de modélisation computationnelle des flux en IRM est également proposée. Elle combine le calcul de flux par la méthode de Lattice Boltzmann, la simulation IRM par le suivi temporel de magnétisations locales, ainsi qu'un nouvel algorithme de transport des magnétisations. Les résultats montrent qu'une telle approche intègre naturellement l'influence du flux dans la modélisation IRM. Contrairement aux travaux de la littérature, aucun mécanisme additionnel n'est nécessaire pour considérer les artéfacts de flux, ce qui offre une grande facilité d'extension du modèle. Les principaux avantages de cette méthode est sa faible complexité computationnelle, son implémentation efficace, qui facilitent le lancement des simulations en utilisant différents paramètres physiologiques ou paramètres d'acquisition des images. La troisième partie du travail de thèse a consisté à appliquer le modèle d'imagerie de flux à des réseaux vasculaires complexes en combinant les modèles de vaisseaux, de flux et d'acquisition IRM. Les algorithmes sont optimisés à tous les niveaux afin d'être performants sur des architectures parallèles. Les possibilités du modèle sont illustrées sur différents cas. Cette démarche de modélisation peut aider à mieux interpréter les images IRM grâce à l'intégration, dans les modèles, de connaissances variées allant de la vascularisation des organes jusqu'à la formation de l'image en passant par les propriétés des flux sanguins. / This PhD thesis concerns computer modeling of magnetic resonance imaging (MRI). The main attention is centered on imaging of vascular structures. Such imaging is influenced not only by vascular geometries but also by blood flow which has to been taken into account in modeling. Next to the question about the quality of developed models, the challenge lies also in the demand for high performance computing. Thus, in order to manage computationally complex problems, parallel computing is in use. In the thesis three solutions are proposed. The first one concerns parallel algorithms of vascular network modeling. Algorithms for different architectures are proposed. The first algorithm is based on the message passing model and thus, it is suited for distributed memory architectures. It parallelizes the process of connecting new parts of tissue to existing vascular structures. The second algorithm is designed for shared memory machines. It also parallelizes the perfusion process, but individual processors perform calculations concerning different vascular trees. The third algorithm combines message passing and shared memory approaches providing solutions for hybrid parallel architectures. Developed algorithms are able to substantially speed up the time-demanded simulations of growth of complex vascular networks. As a result, more elaborate and precise vascular structures can be simulated in a reasonable period of time. It can also help to extend the vascular model and to test multiple sets of parameters. Secondly, a new approach in computational modeling of magnetic resonance (MR) flow imaging is proposed. The approach combines the flow computation by lattice Boltzmann method, MRI simulation by following discrete local magnetizations in time and a new magnetization transport algorithm together. Results demonstrate that such an approach is able to naturally incorporate the flow influence in MRI modeling. As a result, in the proposed model, no additional mechanism (unlike in prior works) is needed to consider flow artifacts, what implies its easy extensibility. In combination with its low computational complexity and efficient implementation, the solution is a user-friendly and manageable at different levels tool which facilitates running series of simulations with different physiological and imaging parameters. The goal of the third solution is to apply the proposed MR flow imaging model on complex vascular networks. To this aim, models of vascular networks, flow behavior and MRI are combined together. In all the model components, computations are adapted to be performed at various parallel architectures. The model potential and possibilities of simulations of flow and MRI in complex vascular structures are shown. The model aims at explaining and exploring MR image formation and appearance by the combined knowledge from many processes and systems, starting from vascular geometry, through flow patterns and ending on imaging technology.