Dans ce travail de thèse, nous avons montré l'importance de l'imagerie, en sus de la clinique, et plus particulièrement de la localisation de la lésion ischémique, pour la prédiction de l'évolution d'un patient après un infarctus cérébral. Pour cela, nous avons utilisé une cohorte de 428 patients victimes d'un infarctus cérébral sus-tentoriel datant de 24 à 72 heures. Ces patients ont eu une évaluation clinique et un examen en imagerie par résonance magnétique à l'inclusion et ont été suivis à trois mois et à un an après l'ictus. À partir de cette cohorte, nous avons montré que la localisation précise de l'infarctus cérébral, définie à l'échelle du voxel avec la méthode Voxel-Based Lesion-Symptom Mapping, améliorait significativement le pronostic cognitif global évalué à trois mois après l'infarctus cérébral, et ce indépendamment des variables consensuelles comme la sévérité initiale, l'âge et le volume de la lésion. Par ailleurs, l'analyse de l'intégrité du faisceau cortico-spinal (CST) en tenseur de diffusion à la phase aigüe de l'infarctus cérébral a permis d'identifier un marqueur précoce de la dégénérescence wallérienne : le ratio du nombre de fibres initial (iFNR), défini comme le nombre de fibres du CST du côté ipsilatéral à l'infarctus cérébral normalisé par le nombre de fibres du CST du côté controlatéral. L'iFNR améliorait significativement la prédiction de la récupération motrice chez les patients ayant un déficit moteur initial sévère, alors que le score clinique initial seul ne le permettait pas. / In this thesis works, we address the question of early outcome prediction after a cerebral infarct. In addition to clinical assessment, early MR Imaging of stroke location in eloquent regions and neuron fibers quantification improved the outcome prediction of cognitive functions and motor functions respectively. In that purpose, we used a large population of 428 patients with a supratentorial ischemic stroke between 24 and 72 hours after stroke onset. These patients were assessed with a magnetic resonance imaging and a clinical evaluation at baseline and were followed at three months and one year post-stroke. Using this stroke population, we demonstrated that an accurate stroke location, defined on a voxel basis with the Voxel-Based Lesion-Symptom Mapping method, significantly improved the prediction of global cognitive outcome assessed at three months post-stroke and was independent from classic predictors such as initial stroke severity, age and stroke volume. Furthermore, the analysis of corticospinal tract (CST) integrity using diffusion tensor imaging at the acute phase allowed to identify an early surrogate marker of wallerian degeneration : the initial fiber number ratio (iFNR) defined as the number of CST fibers from the ipsilateral side of stroke normalized by the number of CST fibers from the contralateral side. The iFNR significantly improved the prediction of motor recovery in stroke patients with an initial severe motor impairment, whereas initial clinical score alone could not.

Les maladies par expansion de polyglutamines sont des maladies neurodégénératives dues à l’expansion du trinucléotide cytosine-adénine-guanine (CAG) dans les gènes correspondants codant pour une expansion d’homopolymère de glutamine dans les protéines mutées. Ce projet concerne les formes les plus courantes qui sont la maladie de Huntington (MH) et les ataxies spinocérébelleuses (SCA) types 1, 2, 3 et 7. Ce sont des maladies autosomiques dominantes, responsables de troubles graves de la motricité partageant des voies physiopathologiques communes, avec un effet notable sur la dysfonction métabolique. La disponibilité des tests génétiques et le fait que la plupart du temps la maladie débute à l’âge adulte offre la possibilité d’une intervention thérapeutique avant l’apparition de symptômes. Toutefois, les échelles cliniques ne sont pas assez sensibles et ne peuvent effectivement être utilisés pour évaluer les personnes au stade présymptomatique de la maladie. Les techniques d’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de spectroscopie (SRM) sont des approches non invasives qui permettent de recueillir des informations pertinentes et sensibles. Ainsi, dans ce travail, nous présentons une combinaison de différentes techniques d’IRM et SRM afin d’identifier de robustes biomarqueurs de la MH et des SCA. Nous présentons aussi des approches thérapeutiques prometteuses dans la MH. De la même manière, nous voulons démontrer que des biomarqueurs d’imagerie sont plus sensibles que des échelles cliniques. Pour conclure, nous combinons des données multimodales – volumétrie, SRM, métabolomique et lipidomique – à partir de SCA dans un modèle qui explique mieux la pathologie. / Mutations in different gene loci that lead to the encoding of the unstable and expanded glutamine-encoding cytosine-adenine-guanine (CAG) repeats results in the group of diseases known as the polyglutamine diseases. This project focuses on the most common forms which are Huntington disease (HD) and spinocerebellar ataxia (SCA) types 1, 2, 3 and 7. These are autosomal dominant diseases responsible for severe movement disorders and are thought to share common pathophysiological pathways with a major emphasis on metabolic dysfunction. The availability of genetic testing and their predominantly adult onset opens a window for therapeutic intervention before symptoms onset. However, current clinical scales are not sensitive and cannot effectively be used to evaluate individuals at the presymptomatic stage of the diseases. This prompts the need for biomarkers that are sensitive to macroscopic and microscopic changes that may occur prior to disease onset. Magnetic resonance imaging (MRI) and spectroscopy (MRS) techniques present non-invasive approaches to extract pertinent information that otherwise would not be possible with clinical scales. In this work therefore, we present a combination of different MRI and MRS techniques to identify robust biomarkers in HD and SCA. We also present therapeutic approaches that hold promise in HD. Likewise, we show that imaging biomarkers have higher effect sizes than clinical scales. Finally, we combine multimodal data – volumetry, MRS, metabolomics and lipidomic – from SCA into a model that best explains the pathology.

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans un projet de thermométrie cardiaque par IRM. L’objectif de cette approche est de monitorer en temps réel le traitement des arythmies cardiaques par ablation thermique. Dans la chaine de traitement utilisée, des méthodes de recalage d’images doivent être implémentées afin d’assurer un suivi exploitable de l’ablation. En effet, les mouvements des différents organes localisés dans la (les) coupe(s) d’imagerie ont un impact sur la précision de la thermométrie IRM. Les méthodes d’estimation de mouvement doivent cependant être robustes aux différents artefacts (faible SNR, flux sanguin dans les cavités cardiaques, etc.) et utilisables en pseudo temps réel (10 images/seconde). Les travaux présentés dans ce manuscrit se concentrent sur la robustesse des méthodes de recalage d’images. Tout d’abord, le bruit inhérent aux images IRM a été intégré à l’estimation de mouvement. Ceci permet de pondérer localement les voxels de l’image dans le calcul du déplacement. Ensuite, une annulation numérique du signal chaotique du sang à l’intérieur du ventricule gauche est proposée via une segmentation semi-automatique de celuici à base de modèle déformable. Un nouveau terme, issu de la probabilité d’appartenir à ce ventricule, a été ajouté dans l’algorithme de contour actif. Les méthodes proposées apportent une amélioration de la qualité de l’estimation du mouvement. Elles sont adaptées à la chaine de traitement de thermométrie afin de les rendre automatiques dans la phase d’ablation thermique de la procédure. De plus, ces méthodes répondent aux contraintes de temps réel de la thermométrie IRM / The works presented in the manuscript are incorporated within the framework of cardiac MR thermometry. The aim of this approach is to monitor in real time the treatment of arrhy²thmias by thermal ablation. In the pipeline used in thermometry, image registration methods have to be inserted to unsure a reliable monitoring of the treatment. Indeed, motions of the different organs present in the acquisition slices have an impact on the accuracy of the MR thermometry. Furthermore, image registration has to be robust to artefacts (low SNR, blood flow in the heart cavities…) and has to be used in real time (10 images/second). The works presented in this manuscript focuses on the robustness of the image registration methods. First, the MR images inherent noise is integrated to the motion estimation. It enables the local weighting of the image’s voxels in the computing of the displacement. Then, a numerical cancelation of the chaotic blood flow signal within the left ventricle through a semi-automatic segmentation is proposed. A new term based on the probability to belong to this ventricle is added to the active contour algorithm. The proposed methods improved the quality of the motion estimation. They are adapted to the thermometry pipeline to make them automatic in the thermal ablation phase of the procedure. They are also compatible with the real-time aspect of MR thermometry.

La résolution actuelle des IRM pondérées en diffusion suggère qu'il y a entre un et deux tiers des voxels de la matière blanche qui contiennent plusieurs faisceaux de fibres qui se croisent. L'IRM par tenseur de diffusion (DTI) classique est intrinsèquement limitée à ces endroits par son hypothèse de base qu'un seul faisceau traverse chaque voxel de l'image. Le but de cette thèse est donc de développer des techniques d'IRM à haute résolution angulaire (HARDI) pour pouvoir retrouver une ou plusieurs fibres et surmonter aux limites DTI. L'imagerie par q-ball (QBI) est une technique récente qui permet d'estimer la distribution d'orientation des fibres (ODF). La technique de QBI ainsi que l'ODF de diffusion des fibres permettent de retrouver plusieurs directions de fibres en chaque voxel de l'image. Ceux-ci joueront donc un rôle important tout au long de ce document. Cette thèse propose plusieurs contributions originales. D'abord, nous développons l'estimation robuste du signal HARDI en utilisant une base modifiée d'harmoniques sphériques et un terme de régularisation. Ensuite, nous proposons la modélisation du coefficient de diffusion apparent (ADC) pour étudier les mesures d'anisotropie HARDI et faire la classification des voxels contenant une distribution isotrope, une distribution d'une seule population de fibres et une distribution de plusieurs faisceaux fibres. Nous proposons de plus, le développement d'une solution analytique pour estimer l'ODF de diffusion en QBI ainsi qu'un nouvel algorithme de segmentation de ces images d'ODF obtenues par le QBI. Nous présentons également le calcul de l'ODF de fibres avec une nouvelle méthode de déconvolution sphérique à partir des données QBI. Enfin, nous développons de nouveaux algorithmes de suivi de fibres (tracking) déterministes et probabilistes à partir de l'ODF du q-ball et l'ODF de fibres. Finalement, tous ces nouveaux algorithmes sont testés et appliqués sur des données HARDI simulées, sur un fantôme biologique et sur des données réelles de plusieurs sujets dans des régions complexes avec plusieurs faisceaux qui se croisent.Nos résultats illustrent clairement la valeur ajoutée de nos méthodes HARDI sur la plupart des méthodes courantes en DTI qui négligent ces faisceaux complexes, ce qui peut amener à une mauvaise analyse et interprétation de l'anatomie et des fonctions cérébrales.

Les colloïdes utilisés sont des suspensions de nanoparticules magnétiques (nanocristaux d'oxyde de fer de 10 nm) chargées négativement en surface, qui s'adsorbent de façon aspécifique sur la membrane de la plupart des types cellulaires, où elles sont spontanément internalisées dans des vésicules intracellulaires. Les nouvelles propriétés magnétiques de cellules thérapeutiques ainsi marquées et implantées au sein de l'organisme permettent leur suivi in vivo de manière non-invasive par IRM. Nous avons ainsi pu suivre des cellules musculaires lisses dans un modèle d'anévrisme et des explants musculaires dans un modèle d'incontinence urinaire. Dans chaque cas, l'évolution des propriétés de contraste des cellules marquées au cours du temps a été étudiée in vitro et in vivo. Ce marquage magnétique nous a aussi permis de soumettre les cellules à des forces magnétiques et analyser leur influence sur la migration cellulaire in vitro et la faisabilité d'un guidage magnétique in vivo.

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.

Le recalage non rigide d'images est un problème classique en vision par ordinateur qui revient à déformer une image afin qu'elle ressemble à une autre. Les techniques existantes, très nombreuses, sont généralement répertoriées selon l'information utilisée pour le recalage. D'un côté les algorithmes iconiques utilisent l'intensité des images. De l'autre, les algorithmes géométiques utilisent des amers géométriques extraits des images, comme les bords d'un objet. Dans cette thèse, nous montrons d'abord que cette classification n'est pas assez fine pour expliquer certaines différences fondamentales dans le comportement de certains algorithmes. Nous proposons de ce fait de diviser la classe des algorithmes iconiques en deux : nous distinguons d'une part les algorithmes iconiques standard, et d'autre part les algorithmes de recalage d'amers iconiques. Nous introduisons une énergie générale de recalage d'amers iconiques, puis nous développons des instances particulières de cette énergie ayant des propriétés spéciales selon l'application visée : ajout de contraintes géométriques supplémentaires, invariance au biais non uniforme, régularisation vectorielle avec des effets croisés, invariance par échange des images. Nous montrons des applications de nos algorithmes en suivi du mouvement dans des séquences échographiques tridimensionnelles, en relage intersujet de cerveaux, et en interpolation de formes et d'intensités.

Les compresses, pâtes humides appliquées sur un matériau poreux pour éliminer les sels, sont utilisées pour conserver le patrimoine architectural. Les mécanismes de transport de l'eau et des ions lors du dessalement ont été étudiés pour améliorer son efficacité. La cristallisation de chlorure de sodium dans des échantillons poreux modèles (frittés de billes de verre) a été entreprise pour maîtriser le processus de salage artificiel. Des compresses de kaolin, cellulose, granulat et eau ont été caractérisées pour étudier la relation entre formulation et propriétés. Des expériences de dessalement ont finalement été menées. L'imagerie par résonance magnétique nucléaire a permis d'obtenir la distribution spatiale de l'eau dans les différents éléments de manière non destructive. L'efficacité du dessalement est liée au comportement au séchage des systèmes qui dépend en partie de la microstructure du matériau. Le séchage du matériau avant la compresse semble conduire à la meilleure efficacité.

Le but de cette thèse est d'étudier, du point de vue théorique, la contrôlabilité exacte de certaines équations aux dérivées partielles qui modélisent les vibrations élastiques, et d'appliquer les résultats ainsi obtenus à la résolution des problèmes inverses provenant de l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette thèse comporte deux parties. La première partie, intitulée ''Contrôlabilité et observabilité de quelques équations des plaques'', discute la problématique de la contrôlabilité, respectivement de l'observabilité, de l'équation des plaques perturbées avec des termes linéaires ou non linéaires. Des résultats récents ont prouvé que l'observabilité exacte d'un système qui modélise les vibrations d'une structures élastique (équation des ondes ou des plaques) implique l'existence d'une solution du problème inverse de la récupération d'un terme source dans l'équation à partir de l'observation. Ainsi, dans le Chapitre 2 de cette thèse nous avons démontré l'observabilité interne exacte de l'équation des plaques perturbées par des termes linéaires d'ordre un et dans le Chapitre 3 la contrôlabilité exacte locale d'une équation des plaques non linéaire attribuée à Berger. Le Chapitre 4 introduit une méthode numérique pour l'approximation des contrôles exactes dans des systèmes d'ordre deux en temps. La deuxième partie de la thèse est dédiée à l'imagerie par résonance magnétique. Plus précisément, on s'intéresse aux méthodes de reconstruction des images pour des objets en mouvement, l'exemple typique étant l'imagerie cardiaque en respiration libre. Dans le Chapitre 6, nous avons formulé la reconstruction d'images cardiaques acquises en respiration libre comme un problème des moments dans un espace de Hilbert à noyau reproductif. L'existence d'une solution pour un tel problème des moments est prouvée par des outils bien connus dans la théorie du contrôle. Nous avons validé cette méthode en utilisant des images simulées numériquement et les images de cinq volontaires sains. La connexion entre les deux parties de la thèse est réalisée par le Chapitre 7 où l'on présente le problème inverse d'identification d'un terme source dans l'équation des ondes à partir d'une observation correspondante à un enregistrement IRM. En conclusion, nous avons montré qu'on peut utiliser les outils de la théorie de contrôle pour des problèmes inverses provenant de l'IRM des objets en mouvement, à la condition de connaître l'équation du mouvement.

Le ventricule droit (VD) fut longtemps oublié par les cardiologues mais l'expérience a montré qu'il conditionne le pronostic des patients dans de nombreuses situations cliniques et que l'évaluation de sa fonction est un élément diagnostique majeur lorsqu'une pathologie du VD est suspectée. Après une revue des différentes méthodes d'évaluation de la fonction ventriculaire droite, cette thèse explore tout d'abord les limites des deux méthodes d'évaluation du VD les plus répandues (IRM et échographie) : Premièrement, les indices de contraction longitudinale en échographie ne permettent pas de dépister correctement les altérations de la fraction d'éjection dans la situation d'une surcharge volumétrique notamment. Deuxièmement, l'IRM en coupes petit-axe présente des difficultés importantes de délinéation de l'endocarde. Les principaux écarts de contours entre deux observateurs concernent l'infundibulum pour 40% et la valve tricuspide pour 40% également. Dans une troisième partie, nous proposons un indice géométrique simple à calculer lors d'un examen IRM et permettant de pré-sélectionner les patients nécessitant une étude précise du VD. Cet indice validé sur 340 patients réduit le temps opérateur de 35% sans entrainer d'erreur diagnostique. La dernière partie de cette thèse s'intéresse 'a la mesure de la vitesse tissulaire du myocarde et aux indices fonctionnels qui en dérivent. Cette mesure nécessite une haute résolution temporelle qui peut être atteinte en IRM en respiration libre au prix d'une augmentation de la durée d'acquisition.