Dans une 1ère partie, nous présentons l’évolution des méthodes utilisées pour décrire l’anatomie corticale, et lui appliquer des systèmes de coordonnées. Dans une 2ème partie, nous commentons la méthode de parcellisation automatique du cortex cérébral humain que nous avons publiée, en la replaçant au sein d’autres techniques disponibles. Elle utilise une approche bayesienne pour produire une parcellisation prenant en compte une base de donnée constituée de 12 cerveaux, mais aussi les caractéristiques de la surface corticale et la localisation des classes anatomiques voisines. Enfin, dans une 3ème partie, nous commentons les règles qui ont prévalu à l’établissement d’une parcellisation surfacique sulco-gyrale originale. Cette parcellisation en 74 classes anatomiques par hémisphère est utilisable par la méthode de parcellisation automatique tout en restant proche des conventions usuelles de la communauté de neuroimagerie. Elle nous permet de proposer un certain nombre d’améliorations de la Terminologia Anatomica. Le logiciel et la base de données sont disponibles avec le paquet FreeSurfer sur http : //surfer.nmr.mgh.harvard.edu/ / We first present different methods used to describe the anatomy of the human cerebral cortex, and various coordinates systems. Then we comment the method we published for a fully automated parcellation of the cortical surface. It is described among various other techniques developed for the same purpose. Our method uses a bayesian approach to include several pieces of information in the labeling process : manual parcellation of 12 cortical surfaces, but also shape of the surface and anatomical classes of neighboring vertices. Finally, we comment the anatomical rules we proposed to parcellate the cortical surface in 74 anatomical classes per hemisphere. This parcellation can be used by the automated method we published, but also remains close enough to the anatomical conventions used in the neuroimaging field. We propose several improvements of the Terminologia Anatomica The software and the database are available and included in the FreeSurfer package (http : //surfer.nmr.mgh.harvard.edu/).

Les pathologies cardiovasculaires et leurs conséquences représentent actuellement un problème de santé publique majeur dont la prise en charge pourrait être considérablement améliorée par le développement de nouvelles méthodes de diagnostic non invasives. Ce projet doctoral vise à développer des microparticules polysaccharides injectables dans la circulation sanguine permettant l’imagerie moléculaire des pathologies artérielles. Grâce à un procédé d’émulsion-réticulation, nous avons synthétisé ces microparticules qui sont d’une part fonctionnalisées avec du fucoïdane afin de pouvoir cibler la P-Sélectine qui est une molécule d’adhésion exprimée au niveau de la paroi artérielle lésée, et d’autre part, conjuguées à des agents de contraste afin d’apporter un signal en imagerie. Nous avons alors développé 2 outils d’imagerie moléculaire propres à 2 modalités classiques d’imagerie médicale. Afin de suivre les microparticules en tomographie par émission monophotonique de positons (TEMP), nous les avons radiomarquées avec du technétium 99m et pour les détecter en imagerie par résonance magnétique (IRM), nous les avons chargées avec des nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques. Nous avons ensuite validé l’efficacité de ces 2 outils d’imagerie moléculaire avec des essais précliniques en imagerie in vivo chez le petit animal sur des modèles de pathologies artérielles. Les résultats obtenus sont très encourageants et ces 2 outils d’imagerie moléculaire ont un fort potentiel clinique pour le diagnostic des pathologies artérielles. Nous avons également observé que les microparticules migrent dans la paroi artérielle dégradée au niveau des pathologies étudiées. Cette propriété singulière pourrait s’avérer très intéressante pour les futurs travaux qui consisteront à utiliser ce support pour véhiculer des molécules thérapeutiques au cœur des différentes pathologies artérielles. / Cardiovascular diseases and their consequences constitute nowadays a major health issue. Their treatment could be substantially improved with the development of new non invasive diagnostic techniques. The aim of this doctoral project is to develop injectable into blood stream polysaccharide microparticles that would permit molecular imaging of arterial pathologies. From an emulsion- crosslinking process, we synthesized these microparticles which are on the one hand functionalized with fucoidan to target P-Selectin which is expressed at damaged arterial wall, and on the other hand combined with contrast agents to bring an imaging signal. We developed 2 molecular imaging tools dedicated to 2 classical medical imaging modalities. In order to track the microparticles by single photon emission computed tomography, we radiolabeled them with technetium 99m and to detect them by MRI, we loaded them with superparamagnetic nanoparticles of iron oxide. We then have validated the efficiency of these 2 molecular imaging tools with preclinical studies of in vivo small animal imaging of arterial disease models. The obtained results are very promising and these 2 molecular imaging tools have a strong clinical potential for the diagnosis of arterial pathologies. We also have observed that the microparticles tend to migrate though the damaged arterial wall. This specific property could turn out to be very interesting for future works which will consist in using this technology to convey therapeutic molecules directly into the core of the arterial pathologies.

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.

La méthode de localisation de source qui permet d’identifier anatomiquement les générateurs de l’activité électrique cérébrale reste encore actuelle difficile à mettre en place et à utiliser en routine clinique. Une des étapes de cette méthode consiste à repérer spatialement les électrodes EEG positionnées sur le cuir chevelu. Ce travail de Doctorat a consisté à mettre au point de nouveaux capteurs EEG compatibles et repérables en IRM et à automatiser ce processus pour le rendre plus fiable et plus facile d’utilisation. Pour ce faire, nous avons développé et breveté de nouveaux capteurs de signaux électrophysiologiques et nous avons implémenté un algorithme informatique de détection et de labellisation automatique en IRM. Ces dispositifs ont été testés cliniquement chez des sujets sains et des patients épileptiques en comparaison avec la numérisation électromagnétique qui est la technique de référence. Nous avons montré dans un premier temps, l’efficacité de notre méthode du point de vue de la précision, de la reproductibilité et des performances. Nous avons montré ensuite que notre méthode n’engendrait pas d’erreurs de localisation anatomique des générateurs électroneurophysiologiques (PES, PEV, EPIC). Ces études cliniques ont été validées par des enregistrements d’IRM fonctionnelle et par une comparaison avec les données de la littérature. Enfin, nous avons développé un outil de projection de la position des capteurs de surface sur le cortex de façon à identifier les structures anatomiques et aires de Brodmann associées aux capteurs EEG du système international 10/10. Notre méthode de détection et de labellisation automatique des capteurs EEG grâce à l’IRM (ALLES) permet donc de limiter l’intervention humaine et de simplifier la méthode de localisation de source puisque seuls les examens d’EEG et d’IRM deviennent nécessaires. / Spatial localization of scalp EEG electrodes is a major step in dipole source localization and it must be accurate, reproducible and practical. Several methods have been proposed in the last fifteen years. The most widely used method is currently electromagnetic digitization. In this work, we introduce a new automatic method for localizing and labeling EEG sensors using MRI (ALLES). First, we designed a new scalp EEG sensor which is MR compatible and localizable. Secondly, we validated this new technique on a head phantom and then in a clinical environment with normal volunteers and epileptic patients. To do this, we compare the reproducibility, accuracy and performances of our method with electromagnetic digitization. We also demonstrate that our method provides better reproducibility with a significant difference (p < 0.01). Concerning accuracy, both methods are equally accurate with no statistical differences. We have tested our method both on normal volunteers (SEP and VEP studies) and epileptic patients (Spikes studies). Source localizations were not influenced by ALLES and we observe results consistent with the literature. Finally, we develop a method which projects the surface positions of the sensors (10-10 system) onto the cortex. This tool is helpful for visual inspection of high resolution EEG traces and for electroclinical diagnostic. To conclude, automation makes our method (ALLES) very reproducible and easy to handle in a routine clinical environment. It offers the possibility of using MRI volume for both source localization and spatial localization of EEG sensors.

L'utilisation d'antennes miniatures à haute sensibilité basées sur le principe des lignes de transmission a permis, lors de l'étude de pathologies chez l'Homme ou le petit animal , une amélioration significative de la qualité des images obtenues en micro Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Les performances élevées de ces antennes et leurs dimensions réduites entrainent cependant des difficultés critiques pour traiter et conditionner le signal de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) détecté. Plus particulièrement, le réajustement de la fréquence de résonance de l'antenne de détection, au cours d'une expérience d'IRM, ne peut être réalisé à l'aide de composants rapportés, comme c'est le cas avec les antennes d'IRM conventionnelles, ceci afin de ne pas dégrader leurs performances.Notre étude a consisté à développer deux techniques d'accord originales et dédiées aux antennes miniatures à lignes de transmission. Ces techniques sont basées sur le déplacement micrométrique d'un élément d'accord à proximité de l'antenne entrainant une variation de l'environnement électromagnétique de celle-ci, et donc de la fréquence de résonance, par couplage (diélectrique ou inductif). L'ensemble des résultats obtenus (par des caractérisations expérimentales, des simulations numériques et des modélisations analytiques) a servi de base à la conception et la réalisation d'un dispositif de micro-déplacement chargé d'assurer le réglage fin de la fréquence de résonance à travers le déplacement de l'élément d'accord.La mise en œuvre d'une antenne accordée à l'aide du dispositif a été réalisée au sein d'un imageur à 4,7 T. Des images de démonstration sur fantôme ont été obtenues et validées, montrant ainsi la pertinence d'un tel dispositif et la faisabilité de systèmes résonants auto-accordés dédiés à l'IRM haute sensibilité.

L’utilisation d’antennes miniatures à haute sensibilité basées sur le principe des lignes de transmission a permis, lors de l’étude de pathologies chez l’Homme ou le petit animal , une amélioration significative de la qualité des images obtenues en micro Imagerie par Résonance Magnétique (IRM). Les performances élevées de ces antennes et leurs dimensions réduites entrainent cependant des difficultés critiques pour traiter et conditionner le signal de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) détecté. Plus particulièrement, le réajustement de la fréquence de résonance de l’antenne de détection, au cours d’une expérience d’IRM, ne peut être réalisé à l’aide de composants rapportés, comme c’est le cas avec les antennes d’IRM conventionnelles, ceci afin de ne pas dégrader leurs performances.Notre étude a consisté à développer deux techniques d’accord originales et dédiées aux antennes miniatures à lignes de transmission. Ces techniques sont basées sur le déplacement micrométrique d’un élément d’accord à proximité de l’antenne entrainant une variation de l’environnement électromagnétique de celle-ci, et donc de la fréquence de résonance, par couplage (diélectrique ou inductif). L’ensemble des résultats obtenus (par des caractérisations expérimentales, des simulations numériques et des modélisations analytiques) a servi de base à la conception et la réalisation d’un dispositif de micro-déplacement chargé d’assurer le réglage fin de la fréquence de résonance à travers le déplacement de l’élément d’accord.La mise en œuvre d’une antenne accordée à l’aide du dispositif a été réalisée au sein d’un imageur à 4,7 T. Des images de démonstration sur fantôme ont été obtenues et validées, montrant ainsi la pertinence d’un tel dispositif et la faisabilité de systèmes résonants auto-accordés dédiés à l’IRM haute sensibilité. / The use of miniature transmission lines coils, in the study of diseases in humans or small animals, has allowed for significant improvements in Micro Magnetic Resonance Imaging (MRI). The high sensitivity of such coils combined with their small size, however, leads to critical problems in treating and conditioning the detected Nuclear Magnetic Resonance (NMR) signal. In particular, the adjustment of the resonant frequency of these detection coils, during a MRI experiment, cannot be achieved using reported components, as is the case of conventional MRI coils, in order not to degrade their performances.We have developed two original tuning techniques for such coils. These techniques are based on the micrometric displacement of a tuning element near the coil surface, which modifies the electromagnetic environment of the coil by coupling, resulting in a change of the resonant frequency. The obtained results have enabled the design and construction of a micro-displacement device responsible for the fine tuning of the coil, through the displacement of a tuning element.The tuned coil and micro-device have been implemented in a 4.7 T MRI. Sample images were obtained and validated, showing the relevance and feasibility of using an auto-tuning resonant system, dedicated to high sensitivity MRI.

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.

La cartographie du temps de relaxation longitudinale T1 est une technique d'IRM quantitative pour caractériser les tissus myocardiques. Plusieurs études ont déjà montré la corrélation entre la mesure de T1 et la présence de fibrose. Celle-ci est souvent observée dans les pathologies cardiaques telles que les cardiomyopathies ou l'infarctus du myocarde. Cependant, l'acquisition d'une carte T1 du coeur reste techniquement difficile. Actuellement, la quantification T1 du myocarde humain est réalisée en apnée à l'aide de séquences 2D qui sont spécifiques aux constructeurs et donc peu disponibles. Afin de pallier aux limitations de ces séquences, nous proposons une méthode basée sur une séquence 3D clinique. Cette technique, utilisant la variation des angles de bascule avec intégration d'une correction B1, a été adaptée pour une utilisation en imagerie cardiaque. Des essais sur fantôme ont permis de sélectionner les paramètres optimaux et de montrer la reproductibilité de la méthode. Puis, une étude sur volontaires sains a permis de valider la méthode en double synchronisation (cardiaque et respiratoire). Enfin, une méthode de reconstruction intégrant des signaux physiologiques de mouvement a également été utilisée afin de faire de la quantification T1 en respiration libre et de diminuer le temps d'acquisition. Les valeurs de T1 myocardique sur volontaires sont comprises entre 1289 ± 66 ms et 1376 ± 43 ms, correspondant aux valeurs de la littérature. Ces travaux ouvrent la voie à l'utilisation de la cartographie T1 chez les patients avec pour objectifs une meilleure caractérisation des pathologies et une meilleure adaptation des stratégies thérapeutiques / T1 mapping is a useful quantitative MR technique for cardiac tissue characterization. Several studies have shown that T1 measurements are correlated with fibrosis, which is observed in cardiac diseases such as cardiomyopathy or myocardial infarction. However, cardiac T1 mapping remains challenging, mainly because of long acquisition times and interference from cardiac and respiratory motions. T1 quantification on the human myocardium is generally performed on breath-hold with 2D specific sequences. Unfortunately these sequences are scanner specific and poorly available for clinical use. To overcome these limitations, we propose a new method based on a 3D clinical sequence. This technique, using a variable flip angle approach that integrates B1 correction, was adapted in cardiac imaging. Phantom tests were used to select the optimal parameters and to show the method reproducibility. Then, the method was validated with a volunteer study using double synchronization (cardiac and respiratory). Moreover, a reconstruction method integrating physiological signals of motion was also used to perform T1 quantification in free breathing and to reduce the total acquisition time. The myocardial T1 values on volunteers ranged between 1289 ± 66 ms and 1376 ± 43 ms, which was in good agreement with previously published works. These studies allow the use of T1 mapping in patients with better characterization of pathologies and a better adaptation to therapeutic strategies

Les matériaux de chaussée dits “à froid”, formés d’un mélange de granulats et d’une émulsion de bitume, constituent une alternative plus économique et respectueuse de l’environnement aux matériaux de chaussée classiques. Cependant, ces mélanges incorporent une quantité significative d’eau, retardant la consolidation du mélange granulaire. L’objectif de cette thèse est de comprendre le déroulement du séchage au sein de l’enrobé, un milieu granulaire poreux saturé en émulsion de bitume, et quel en est l’effet sur sa structure et ses propriétés. Les principaux mécanismes du séchage de milieux poreux simples initialement saturés en eau sont relativement bien connus : celui-ci se déroule selon une longue première période à vitesse constante associée à une désaturation homogène du milieu et durant laquelle environ 90% d’eau est extraite, suivie d’une période à vitesse décroissante. Quelques travaux ont récemment montré que l’on peut largement s’éloigner de ce schéma dès que le fluide interstitiel est plus complexe (solution saline, suspension, gel), du fait du transport et/ou de l’accumulation des composants non-évaporables contenus dans le fluide. Nous avons choisi de décomposer le problème en étudiant d’abord le séchage du fluide complexe seul, autrement dit l’émulsion de bitume (ainsi que des émulsions modèles de silicone afin de mieux comprendre les mécanismes), puis le séchage de cette même émulsion en milieu poreux. Notre travail s’appuie sur le suivi « macroscopique » du séchage (i.e. pesée), et un suivi des caractéristiques internes (distribution de de liquide au sein du matériau) par Imagerie par Résonance Magnétique, qui fournit des informations originales très complètes. Nous montrons ainsi que l’extraction d’eau résultant du séchage d’émulsions modèles de silicone et de bitume seules est essentiellement homogène sur toute l’épaisseur (centimétrique) de l’émulsion, et associée à la compaction et la déformation progressives des gouttes de phase dispersée. Cependant, un gradient de concentration existe près de la surface libre et il s’avère que dans cette zone la coalescence de gouttes de phase dispersée ralentit très fortement le séchage. Nous montrons ensuite que la vitesse de séchage de milieux poreux initialement saturés en émulsion diminue dès le départ et continuellement jusqu’à de très faibles valeurs. La formation et la progression rapide d’un front sec dans le milieu poreux ainsi que l’absence de migration de bitume dans le milieu poreux, observés par IRM, permettent d’expliquer en partie ce phénomène, mais il faut probablement y ajouter les caractéristiques propres du séchage de l’émulsion de bitume, qui contribuent également à ralentir la vitesse d’évaporation / The preparation of cold mix asphalts, composed of aggregates and bitumen emulsion, represent a substantial economic and environmental potential but the presence of water delays the strengthening of the material. Our objective is to understand how the mix dries and how this affects its properties. The drying of pure liquids in simple porous media has been extensively studied : a constant drying rate period as well as a homogeneous distribution of water are observed until 90% of the water has been extracted; afterwards the drying rate decreases. Studies have shown that the drying of complex fluids (ionic solutions, suspensions, gels) is very different due to the transport and/or accumulation of the fluid’s non-vaporizable elements. We chose to study first the drying of the complex fluid i.e. the bitumen emulsion as well as silicone oil emulsions to understand better the drying mechanisms, then the drying of the complex fluid in a porous media. We used Magnetic Resonance Imaging (MRI) to monitor the internal characteristics of our systems. This allowed us to show that water is extracted uniformly over the drying emulsion’s entire thickness ($approx$cm), leading to the progressive droplet compaction and deformation. However, a water concentration gradient forms near the free surface, which ultimately slows the drying as droplets coalesce. We then show that the drying rate of a porous medium initially saturated with emulsion decreases from the beginning of drying. The rapid formation and progression of a dry area in the porous medium and the absence of bitumen transport partly explain this but it is very likely that the bitumen emulsion’s drying characteristics contribute to the decreasing drying rate

L'analyse automatique de différences anatomiques en neuroimagerie a de nombreuses applications pour la compréhension et l'aide au diagnostic de pathologies neurologiques. Récemment, il y a eu un intérêt croissant pour les méthodes de classification telles que les machines à vecteurs supports pour dépasser les limites des méthodes univariées traditionnelles. Cette thèse a pour thème l'apprentissage automatique pour l'analyse de populations et la classification de patients en neuroimagerie. Nous avons tout d'abord comparé les performances de différentes stratégies de classification, dans le cadre de la maladie d'Alzheimer à partir d'images IRM anatomiques de 509 sujets de la base de données ADNI. Ces différentes stratégies prennent insuffisamment en compte la distribution spatiale des \textit{features}. C'est pourquoi nous proposons un cadre original de régularisation spatiale et anatomique des machines à vecteurs supports pour des données de neuroimagerie volumiques ou surfaciques, dans le formalisme de la régularisation laplacienne. Cette méthode a été appliquée à deux problématiques cliniques: la maladie d'Alzheimer et les accidents vasculaires cérébraux. L'évaluation montre que la méthode permet d'obtenir des résultats cohérents anatomiquement et donc plus facilement interprétables, tout en maintenant des taux de classification élevés.