Non-invasive remote detection of cardiac and blood displacements is an important topic in cardiac telemedicine. Here we propose kinocardiography (KCG), a non-invasive technique based onmeasurement of body vibrations produced by myocardial contraction and blood flow through thecardiac chambers and major vessels. KCG is based on ballistocardiography and seismocardiographyand measures 12 degrees-of-freedom (DOF) of body motion. The integral of kinetic energy (iK)and maximum Power (Pmax) obtained from the linear and rotational SCG/BCG signals, was computedover the cardiac cycle, and used as a marker of cardiac mechanical function. We showedthat KCG metrics show high repeatability, can be computed on 50 Hz and 1 kHz SCG/BCG signalsindifferently, that most of the metrics were highly similar when computed on different sensors,and with less than 5% of error when computed on record length longer than 60 s. Finally, weshow that KCG metrics allow detecting dobutamine-induced haemodynamic changes with a highaccuracy and present a major improvement over single axis ballistocardiography or seismocardiography.These results suggest that KCG may be a robust and non-invasive method to monitorcardiac inotropic activity. / La détection à distance et non invasive des déplacements cardiaques et sanguins est un sujet important en télémédecine. Nous proposons ici la kinocardiographie (KCG), une technique non invasive basée sur mesure des vibrations corporelles produites par la contraction du myocarde et par le flux sanguin au travers des cavités cardiaques et des principaux vaisseaux sanguins. La KCG est basée sur la balistocardiographie et la seismocardiographie et mesure 12 degrés de liberté (DOF) de mouvement corporel. L'intégrale de l'énergie cinétique (iK) et la puissance maximale (Pmax) obtenue à partir des signaux SCG / BCG linéaire et rotationnel, a été calculée au cours du cycle cardiaque, et sont utilisées comme marqueur de la fonction mécanique cardiaque. Ce travail montre que les métriques KCG sont caractérisées par une répétabilité élevée, peuvent être calculées sur des signaux SCG / BCG à 50 Hz et à 1 kHz indifféremment, que la plupart des métriques étaient très similaires lorsqu'elles étaient calculées sur différents capteurs, et avec moins de 5% d'erreur lors du calcul sur une longueur d'enregistrement supérieure à 60 s. Enfin ce travail montre que les métriques KCG permettent de détecter les changements hémodynamiques induits par la dobutamine avec précision et présentent une amélioration majeure par rapport à la balistocardiographie à un seul axe ou à la seismocardiographie. Ces résultats suggèrent que la KCG peut être une méthode robuste et non invasive pour surveiller l'activité inotrope du coeur. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie / La défense publique a eu lieu le 05/05/2021. Cet upload remplace l'upload pécédent et contient les derniers commentaires du jury après la défense publique. / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The 21st century brought tremendous changes in technologies, sweeping away every aspect of daily life, from social to private life, from education to professional world, at a breakneck pace. Medical science has not been spared by this colossal wave of changes: e-health, e-patients, e-physicians and e-medical students have already made their first appearance in the routine medical practice. Surgical robots, 3D printing, Artificial-Intelligence based imaging, smartwatches, wearable sensors are already used to improve diagnosis, personalize treatments and monitor patients’ health. Ballistocardiography (BCG) and seismocardiography (SCG) are ancient techniques which estimate the mechanical performance of the heart through measuring myocardial contraction-induced vibrations transmitted to the skin surface. They made their first appearance into clinic at the beginning of the 20th century to help in the diagnosis of cardiovascular diseases, but their popularity drastically declined in the middle of the 70s and they never had their place in clinical practice: cumbersome and complex equipment, ambiguity in the signal interpretation, unclear understanding of the physiological genesis of the signal, the advent of high-performing technologies (cardiac MRI, echocardiography) are a few of the reasons for their clinical failure. Thanks to the tremendous improvements in technologies, these techniques of the past came back to the medical world as wearable biosensors, first holding the promise of a remote and continuous monitoring of the cardiovascular status. Displacement, velocity and acceleration of blood mass flowing into cardiac chambers and main extracardiac vessels are recorded for each heartbeat along three cardinal axes and in two dimensions, a linear and a rotational one, by the renewed BCG and SCG, with 6 degrees-of-freedom (6D-BCG and 6D-SCG). By applying the Newtonian principles to the recorded signals, signal processing algorithms automatically compute the kinetic energy (KE) and its temporal integral (iK) for each cardiac cycle. This work first analyzed the influence of normal and pathological respiration as well as the effects of sympathetic overactivity on the genesis of the 6D-BCG and 6D-SCG signals and the iK parameters; secondary, it tested the usefulness of 6D-BCG and 6D-SCG techniques in the detection of cardiac dysfunction and hemodynamic impairment during acute myocardial infarction and reperfusion in an animal model for acute coronary syndrome. While breathing normally mildly affects cardiac iK parameters, pathological respiration profoundly alters them. During a sustained end-expiratory apnea, as it happens in patients suffering from central sleep apnea, the iK generated within a contractile cycle acutely increases at the end of the apnea, strictly depending on the magnitude of sympathetic activity; inspiring against a resistance, as it happens in patients suffering from obstructive sleep apnea, acutely increases the cardiac iK and this surge is related to the acute external force afterloading the left ventricle. So, whether it is a central apnea or an obstructive one, myocardial mechanical function as expressed in terms of iK is profoundly impaired, suggesting the myocardium is enduring a sustain endeavor during these pathological respirations. During an experimental acute myocardial infarction, in a context of mechanical ventilation without major respiratory events, iK parameters drastically drop during coronary occlusion and does not improve during reperfusion, along with systemic blood pressures and cardiac output, thus holding the promise to continuously monitor the cardiac contractile function and the hemodynamic profile both during acute coronary occlusion and reperfusion. Renewed and wearable 6D-BCG and 6D-SCG may prove useful in the detection and continuous monitoring of cardiac dysfunction and hemodynamic impairment in patients suffering from sleep disordered breathing and may be used in the mid-long-term follow-up of patients with myocardial dysfunction of ischemic origin. There is still a lot of work to do before validating these renewed technologies in the practice of cardiovascular medicine, but evidences are there to consider them as next generation medical devices. / Doctorat en Sciences médicales (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La cécité cornéenne touche 12,7 millions personnes globalement. Il y a une pénurie des cornées de donneurs humains (CDH), et donc les tissues disponibles sont implanté préférentiellement dans les patients avec des troubles cornéens à faible risque comme le kératocône et la dystrophie endothéliale de Fuchs. Les patients qui ont un risque élevé d’inflammation, comme ceux avec des brûlures acides, alcalines et thermiques, des infections et des ulcères, ne reçoivent pas de greffes pour leurs maladies cornéennes. Les biomatériaux offrent une alternative aux CDH en permettant le développement de solutions de régénération cornéenne avec une longue durée de conservation, une thermostabilité pour un déploiement en zone rurale, et biocompatibilité chez les patients à haut risque. Les biomatériaux peuvent être développés sous forme d’implants cornéens solides à greffer dans des opacités cornéennes ou sous forme de liquides gélifiants injectables qui peuvent sceller des petites perforations cornéennes. Les implants cornéens solides conviennent aux chirurgiens ophtalmologiques, mais les produits de comblement liquides peuvent être utilisés par les prestataires de médecine d’urgence ou le personnel médical non spécialisé dans les zones où les chirurgiens ophtalmologistes ne sont pas disponibles. Cette thèse explore les formulations de biomatériaux pour les cornéens solides et gélifiants in situ, leurs performances en tant que dispositifs composites, l’ajout de la stérilisation terminale à la fabrication d’implants cornéens solides et le développement de futures protéines mimétiques du collagène pour la formulation d’hydrogel. Le premier objectif de cette thèse était de développer un implant cornéen solide adapté à l’implantation chez les patients cornéens à haut risque. Les implants cornéens peptide-mimant-le-collagène-polyéthylène glycol-phosphorylcholine (PMC-PEG-MPC) et les implants recombinants de collagène humain de type III-phosphorylcholine (RCHIII-MPC) ont réussi à régénérer les cornées de mini-porcs et de lapins, respectivement. La phosphorylcholine présente dans la formulation PMC-PEG-MPC a diminué l’inflammation et fourni une alternative cornéenne viable dans les brûlures alcalines à haut risque. Des nanoparticules d’argent coiffées de peptides étaient fabriquées avec succès à la surface d’un implant cornéen solide de collagène porcin de type I. Ces implants ont inhibé P. aeruginosa, S. aureus et S. epidermidis in vitro et empêché la formation de biofilm à l’interface air-liquide. Ces implants cornéens solides élargissent la gamme d’efficacité pour inclure les personnes souffrant de brûlures alcalines et d’infections. Finalement, on a validé une méthode de stérilisation terminale des implants cornéens solides. Le RCHIII-MPC a été stérilisé en phase terminale avec succès à l’aide d’une irradiation par faisceau d’électrons, offrant une future voie pour la stérilisation terminale des implants cornéens solides à base de biomatériaux. Le deuxième objectif était de concevoir un hydrogel qui se solidifierait in situ pour sceller les perforations cornéennes. Le PMC-PEG était combiné avec du fibrinogène pour former “LiQD Cornea”, le premier produit de comblement cornéen liquide à être chimiquement réticulé avec succès in situ pour sceller les perforations cornéennes et les plaies chirurgicales chez le lapin et les mini-porcs. Pour le troisième objectif, ce projet fournit également une méthodologie future pour la production de protéines mimétiques de collagène personnalisées pour les futures formulations d’hydrogel. Dans l’ensemble, le collagène et les biomatériaux inspirés du collagène se sont révélés être des greffes et des scellants cornéens prometteurs avec des voies viables de fabrication commerciale. / Corneal blindness and opacities affect 12.7 million people globally. There is a shortage of human donor corneas (HDCs), which are prioritized for patients with low risk corneal disorders like keratoconus and Fuch’s endothelial dystrophy. Patients with high-risk inflammatory conditions like acid, alklai and thermal burns, infections and ulcers are often unable to receive transplants to treat their corneal disorders. Biomaterials provide an alternative to HDCs by allowing the development of corneal regenerative solutions with a long-shelf life, thermostability for deployment in rural areas and biocompatibility in high-risk patients. Biomaterials can be developed as solid corneal implants to graft into large corneal opacities or as injectable in situ gelling liquids that can seal small corneal perforations. Solid corneal implants are suited for use by ophthalmic surgeons, but liquid fillers can be used by emergency medicine providers or non-specialized medical personnel in areas where ophthalmic surgeons are not available. This thesis explores biomaterials formulations for solid and in situ gelling corneal biomaterials, their performance as composite devices, the addition of terminal sterilization to the manufacture of solid corneal implants, and the development of future collagen mimetic proteins for hydrogel formulations. The first objective of this thesis was to develop a solid corneal implant suitable for implantation in high-risk corneal patients. Collagen-like-peptide-polyethylene glycolphosphorylcholine (CLP-PEG-MPC) corneal implants and recombinant human collagen type III-phosphorylcholine implants were successful in regenerating the corneas of mini-pigs and rabbits, respectively. The phosphorylcholine present in the CLP-PEG-MPC formulation decreased inflammation and provided a viable corneal alternative in high-risk alkali burns. Peptide-capped nanoparticles were successfully fabricated on the surface of a porcine and S. epidermidis in vitro and prevented biofilm formation at the air-liquid interface. These solid corneal implants expand the range of efficacy to include individuals with alkali burns and infections. This thesis validated a method of terminal sterilization for solid corneal implants. RHCIII-MPC was successfully terminally sterilized using electron-beam irradiation, providing a future avenue for terminal sterilization of biomaterials-based solid corneal implants. The second objective was to design a hydrogel that will solidify in situ to seal corneal perforations. CLP-PEG was combined with fibrinogen to form LiQD Cornea, the first liquid corneal filler to be successfully chemically crosslinked in situ to seal corneal perforations and surgical wounds in rabbit and mini-pigs. For the third objective, this project also provides future methodology for the production of custom collagen mimetic proteins for future hydrogel formulations. Overall, collagen and collagen-inspired biomaterials were demonstrated to be promising corneal grafts and sealants with viable pathways to commercial manufacture.

<p align="justify">L'Imagerie fonctionnelle par Résonance Magnétique (IRMf) a connu un développement important depuis sa découverte au début des années 1990. Basée le plus souvent sur l'effet BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), cette technique permet d'obtenir de façon totalement non-invasive des cartes d'activation cérébrale, avec de meilleures résolutions spatiale et temporelle que les méthodes préexistantes telles que la tomographie par émission de positrons (TEP). Facilement praticable au moyen des imageurs par RMN disponible dans les hôpitaux, elle a mené à de nombreuses applications dans le domaine des neurosciences et de l'étude des pathologies cérébrales.</p> <p align="justify">Il est maintenant bien établi que l'effet BOLD est dû à une augmentation de l'oxygénation du sang veineux dans les régions du cerveau où se produit l'activation neuronale, impliquant une diminution de la différence de susceptibilité magnétique entre le sang et les tissus environnants (la déoxyhémoglobine étant paramagnétique et l'oxyhémoglobine diamagnétique), et par conséquent un augmentation du signal si la méthode d'acquisition est sensible aux inhomogénéités de champ magnétique. Cependant, il reste encore de nombreuses inconnues quant aux mécanismes liant les variations d'oxygénation, de flux et de volume sanguin à l'augmentation de signal observée, et la dépendance du phénomène en des paramètres tels que l'intensité du champ, la résolution spatiale, et le type de séquence de RMN utilisée. La première partie de la thèse est donc consacrée à l'étude de l'effet BOLD, dans le cas particulier des contributions dues aux veines de drainage dans les séquences de type écho de gradient rendues sensibles au mouvement par l'ajout de gradients de champ. Le modèle développé montre que, contrairement au comportement suggéré par de précédentes publications, l'effet de ces gradients n'est pas une diminution monotone de la différence de signal lorsque l'intensité des gradients augmente. D'importantes oscillations sont produites par l'effet de phase dû au déplacement des spins du sang dans les gradients additionnels, et par la variation de cette phase suite à l'augmentation du flux sanguin. La validation expérimentale du modèle est réalisée au moyen de la séquence PRESTO (Principles of Echo-Shifting combined with a Train of Observations), c'est-à-dire une séquence en écho de gradient où des gradients supplémentaires permettent d'augmenter la sensibilité aux inhomogénéités de champ, et donc à l'effet BOLD. Un accord qualitatif avec la théorie est établi en montrant que la variation de signal observée peut augmenter lorsqu'on intensifie les gradients additionnels.</p> <p align="justify">Un autre source de débat continuel dans le domaine de l'IRMf réside dans l'optimalisation des méthodes d'acquisition, au point de vue notamment de leur sensibilité à l'effet BOLD, leurs résolutions spatiale et temporelle, leur sensibilité à divers artefacts tels que la perte de signal dans les zones présentant des inhomogénéités de champ à grande échelle, et la contamination des cartes d'activation par les contributions des grosses veines, qui peuvent être distantes du lieu d'activation réel. Les séquences en écho de spin sont connues pour être moins sensibles à ces deux derniers problèmes, c'est pourquoi la deuxième partie de la thèse est consacrée à une nouvelle technique permettant de donner une pondération T2 plutôt que T2* aux images. Le principe de base de la méthode n'est pas neuf, puisqu'il s'agit de la « Préparation T2 » (T2prep), qui consiste à atténuer l'aimantation longitudinale différemment selon la valeur du temps de relaxation T2, mais il n’avait jamais été appliqué à l’IRMf. Ses avantages par rapport à d’autres méthodes hybrides T2 et T2* sont principalement le gain en résolution temporelle et en dissipation d’énergie électromagnétique dans les tissus. Le contraste généré par ces séquences est étudié au moyen de solutions stationnaires des équations de Bloch. Des prédictions sont faites quant au contraste BOLD, sur base de ces solutions stationnaires et d’une description simplifiée de l’effet BOLD en termes de variations de T2 et T2*. Une méthode est proposée pour rendre le signal constant au travers du train d’impulsions en faisant varier l’angle de bascule d’une impulsion à l’autre, ce qui permet de diminuer le flou dans les images. Des expériences in vitro montrent un accord quantitatif excellent avec les prédictions théoriques quant à l’intensité des signaux mesurés, aussi bien dans le cas de l’angle constant que pour la série d’angles variables. Des expériences d’activation du cortex visuel démontrent la faisabilité de l’IRMf au moyen de séquences T2prep, et confirment les prédictions théoriques quant à la variation de signal causée par l’activation.</p> <p align="justify"> La troisième partie de la thèse constitue la suite logique des deux premières, puisqu’elle est consacrée à une extension du principe de déplacement d’écho (echo-shifting) aux séquences en écho de spin à l’état stationnaire, ce qui permet d’obtenir une pondération T2 et T2* importante tout en maintenant un temps de répétition court, et donc une bonne résolution temporelle. Une analyse théorique approfondie de la formation du signal dans de telles séquences est présentée. Elle est basée en partie sur la technique de résolution des équations de Bloch utilisée dans la deuxième partie, qui consiste à calculer l’aimantation d’état stationnaire en fonction des angles de précession dans le plan transverse, puis à intégrer sur les isochromats pour obtenir le signal résultant d’un voxel (volume element). Le problème est aussi envisagé sous l’angle des « trajectoires de cohérence », c’est-à-dire la subdivision du signal en composantes plus ou moins déphasées, par l’effet combiné des impulsions RF, des gradients appliqués et des inhomogénéités du champ magnétique principal. Cette approche permet d’interpréter l’intensité du signal dans les séquences à écho déplacé comme le résultat d’interférences destructives entre diverses composantes physiquement interprétables. Elle permet de comprendre comment la variation de la phase de l’impulsion d’excitation (RF-spoiling) élimine ces interférences. Des expériences in vitro montrent un accord quantitatif excellent avec les calculs théoriques, et la faisabilité de la méthode in vivo est établie. Il n’est pas encore possible de conclure quant à l’applicabilité de la nouvelle méthode dans le cadre de l’IRMf, mais l’approche théorique proposée a en tout cas permis de revoir en profondeur les mécanismes de formation du signal pour l’ensemble des méthodes à écho déplacé, puisque le cas de l’écho de gradient s’avère complètement similaire au cas de l’écho de spin.</p> <p align="justify">La thèse évolue donc progressivement de la modélisation de l’effet BOLD vers la conception de séquences, permettant ainsi d’aborder deux aspects fondamentaux de la physique de l’IRMf.</p>

Des anomalies dans la morphologie pelvienne, la posture du tronc et le contrôle de l’équilibre de jeunes filles atteintes de scoliose idiopathique de l’adolescence (SIA) ont souvent été l’objet d’études. Rares sont celles ayant distingué ces troubles en fonction de la sévérité de la déformation vertébrale. De plus, aucune n’a évalué à l’intérieur d’une même étude l’orientation et la distorsion pelvienne, l’asymétrie posturale et l’instabilité en position debout de sujets SIA. Une telle étude permettrait de comprendre le développement de la maladie et de mettre en évidence des facteurs de risque aidant au pronostic. L’objectif général de cette thèse est d’identifier des facteurs biomécaniques associés à la croissance osseuse, la posture et l’équilibre distinguant une SIA modérée d’une sévère. Les positions 3D de 14 repères prises sur 46 filles ayant une SIA droite (modérée et sévère) et 28 sujets témoins ont été captées pour quantifier la morphologie pelvienne et la posture. Un maintien en position debout de 64 s sur une plate-forme de force a aussi été enregistré afin d’évaluer leur équilibre. Les paramètres retenus sont les angles d’orientation pelvienne et du tronc; les distances entre la crête iliaque et S1 mesurant la distorsion pelvienne; la moyenne, l’amplitude et la vitesse du centre de pression (COP) en médiolatéral (ML) et antéropostérieur ainsi que la moyenne et l’amplitude du moment libre. Les différences entre les trois groupes (témoin, SIA modérée et SIA sévère) sont testées par des ANOVA et les relations entre l’angle de Cobb et les paramètres pelviens, posturaux ou d’équilibre, par des coefficients de corrélations. De plus, des régressions multiples exprimant l’angle de Cobb sont effectuées avec les paramètres pelviens, posturaux et d’équilibre afin de déterminer la classe de paramètres prédisant le mieux l’angle de Cobb. Aucune ANOVA n’est significative pour l’orientation pelvienne, bien que des différences de géométrie pelvienne soient notées entre les deux groupes de sujets SIA. Les SIA modérées ont un pelvis gauche moins profond que les SIA sévères et les sujets témoins, tandis que les SIA sévères ont un pelvis droit plus large d’environ 1,5 cm que celui des SIA modérées. Un coefficient de corrélation de -0,54 associe une rotation pelvienne droite à l’augmentation de la largeur de la crête iliaque. Au niveau postural, les SIA sévères démontrent des inclinaisons latérales et antérieures du tronc ainsi qu’une rotation axiale du haut du corps plus marquées que les SIA modérées. Les corrélations entre les paramètres posturaux, l’angle de Cobb et la morphologie pelvienne indiquent que l’attitude posturale est associée à la distorsion pelvienne dans tous les plans anatomiques, tandis qu’elle ne l’est que dans les plans sagittal et horizontal à l’angle de Cobb. Les différences retrouvées entre les deux groupes SIA concernant les troubles d’équilibre résultent en une augmentation de l’amplitude et de la vitesse du COPML. Une régression multiple de 0,896 est observée par l’emploi des paramètres pelviens, posturaux et d’équilibre, bien que ceux se rapportant à la distorsion pelvienne soient les mieux corrélés à l’angle de Cobb. Cette thèse permet de distinguer la morphologie pelvienne de sujets SIA sévères des modérées, soulignant la détection d’une anomalie de croissance avant que l’angle de Cobb ne soit élevé. Bien que les indices de croissance pelvienne soient davantage corrélés à ce dernier, c’est en considérant globalement la morphologie pelvienne, la posture et l’équilibre qu’une détermination précise de la sévérité d’une scoliose est réalisée. La mise en évidence de tels facteurs de prédiction de la SIA peut faciliter le pronostic d’une courbure. / The effect of adolescent idiopathic scoliosis (AIS) on pelvis morphology, body posture and standing balance in young girls has been studied many times. However, only few studies have distinguished the effect associated with moderate AIS from a severe one. Moreover, no one ever assessed within one investigation pelvis orientation and distortions, postural asymmetry and standing imbalance in AIS subjects. This would help understanding the evolution of the disease and to shed light on risk factors that would facilitate the prognostic. The aim of this thesis is to identify biomechanical factors related to bone growth, posture and balance which can distinguish a moderate AIS from a severe one. The 3D coordinates position of 14 body landmarks taken on 46 young girls with right AIS (moderate and severe) curvature and 28 control subjects is captured to quantify pelvis morphology and body posture. An upright standing is recorded during 64 s on a force plate to assess standing balance. From these data, the following parameters are calculated: orientation angle in all 3 planes for pelvis and trunk; distances between S1 and iliac crest to evaluate pelvis distortion; mean position, range and velocity of the center of pressure (COP) in mediolateral (ML) and anteroposterior axis and mean and range of the free moment. Differences between groups (control, AIS moderate and AIS severe) are tested by ANOVA and relationship between Cobb angle and pelvis, postural and balance parameters are calculated by correlation coefficients. Multiple regressions expressing Cobb angle by pelvis, postural and balance parameters are also carried out to determine which class of parameters is able to predict more effectively the Cobb angle’s curvature. No significant ANOVA is found for pelvis orientation, even though differences in pelvis geometry are noticed between the two groups of AIS subjects. Moderate AIS have a left pelvis with a depth less than severe AIS, whereas AIS severe have a larger right pelvis of 1,5 cm than moderate AIS. A correlation coefficient of -0,54 relates a right pelvis rotation to an increase in iliac crest’s width. About postural asymmetries, severe AIS shows lateral and anterior trunk bending and an axial rotation in the upper level of the trunk that are more pronounced compared to moderate AIS. Correlations between postural parameters, Cobb angle and pelvis morphology indicate a relationship between posture and pelvis distortion in all three planes, but only in the sagittal and horizontal plane between posture and Cobb angle. Differences in standing balance between the two groups of AIS show an increase in COPML range and velocity. A multiple regression of 0,896 is found for the Cobb angle using pelvis, postural and balance parameters. Parameters related to pelvis distortion correlate the most with Cobb angle (0,70). This thesis was able to differentiate severe AIS pelvis morphology from those of the moderate one. Pelvis morphology allows detecting a growth abnormality before the Cobb angle becomes high. Even if pelvis growth is more correlated to the Cobb angle, considering globally pelvis morphology, posture and standing balance will allow determining precisely the severity of AIS. Shedding light on such factors during the evolution of the disease helps an AIS curvature prognosis.

Dans ce mémoire, nous décrivons le travail effectué pour étendre nos connaissances sur les sources d’instabilité instrumentales en imagerie de résonance magnétique, en particulier dans le domaine anatomique par une étude où cinq adultes ont été scannés quatre fois dans la même plate-forme IRM, deux fois avant et deux fois après une mise à niveau importante d’un scanner 3T de Siemens. Les volumes de l’hippocampe droit et gauche de chaque sujet ont été mesurés avec une segmentation manuelle. Nous avons analysé la fiabilité test-retest avant et après la mise à niveau du système d’IRM. Dans le domaine fonctionnel, cinq adultes ont été scannés quatre fois dans la même plate forme IRM deux fois avant et deux fois après la même mise à niveau du scanneur. Les acquisitions du signal BOLD sont faites dans deux différentes résolutions spatiales (2x2x2mm et 4x4x4mm) pour évaluer la sensibilité du signal BOLD sous conditions de haute et basse SNR. Une dernière étude fonctionnelle sur fantôme avait pour but d’étudier la stabilité de la machine pour les images fonctionnelles et détecter les sources de bruit de type machine. La séquence EPI (Echo Planar Imaging) d’écho de gradient à deux dimensions a été utilisée. Des analyses comme le pourcentage des fluctuations et l’analyse de Fourier des résidus ont également été réalisées. Nous résultats indiquent que les différences dans le matériel provenant d’une importante mise à niveau ne peuvent pas compromettre la validité des études structurelles et fonctionnelles faites à travers la mise à niveau du scanneur. Les acquisitions quotidiennes ont permis de suivre l’évolution de la stabilité et de détecter toute source de bruit qui peut détériorer la détection des activations dans les images fonctionnelles. / In this thesis, we describe work we carried out to extend our knowledge on instrumental sources of MRI variability, in both anatomical and functional imaging. The anatomical study involved five adults scanned four times in the same platform MRI twice before and twice after a major update of a 3T Siemens scanner. The volumes of left and right hippocampus of each subject were measured with a manual segmentation. We then analyzed the test-retest reliability before and after updating the MRI system. In the functional study, five adults were scanned four times on the same MRI system twice before and twice after a major hardware update. Blood oxygenation level- dependent (BOLD) acquisitions were made at two different spatial resolutions (2x2x2mm and 4x4x4mm) to assess the reproducibility of BOLD measurements under conditions of high and low SNR. A final functional study using a gel phantom was used to study the stability of the machine for functional images and isolate the sources of noise arising from hardware. Two-dimensional gradient-echo EPI (Echo Planar Imaging) signals were analyzed to assess the percentage variability and Fourier analysis of residual error performed. Our results indicate that the differences in hardware from a major upgrade do not significantly affect the reliability of structural and functional studies spanning a major hardware upgrade. Daily quality assurance acquisitions on phantoms can be used to monitor the stability of the machine, which may aid in the early detection of hardware faults.

Ce travail de thèse porte sur la simulation du déploiement des prothèses vasculaires de type stent-graft (SG) lors de la réparation endovasculaire (EVAR) des anévrismes de l’aorte abdominale (AAA). Cette étude se présente en trois parties: (i) tests mécaniques en flexion et compression de SG couramment utilisés (corps et jambage de marque Cook) ainsi que la simulation numérique desdits tests, (ii) développement d’un modèle numérique d’anévrisme, (iii) stratégie de simulation du déploiement des SG. La méthode numérique employée est celle des éléments finis. Dans un premier temps, une vérification du modèle éléments finis (MEF) des SG est realisée par comparaison des différents cas de charge avec leur pendant expérimental. Ensuite, le MEF vasculaire (AAA) est lui aussi vérifié lors d’une comparaison des niveaux de contraintes maximales principales dans la paroi avec des valeurs de la littérature. Enfin, le déploiement est abordé tout en intégrant les cathéters. Les tests mécaniques menés sur les SG ont été simulés avec une différence maximale de 5,93%, tout en tenant compte de la pré-charge des stents. Le MEF de la structure vasculaire a montré des contraintes maximales principales éloignées de 4,41% par rapport à un modèle similaire précédemment publié. Quant à la simulation du déploiement, un jeu complet de SG a pu être déployé avec un bon contrôle de la position relative et globale, dans un AAA spécifique pré-déformé, sans toutefois inclure de thrombus intra-luminal (TIL). La paroi du AAA a été modélisée avec une loi de comportement isotropique hyperélastique. Étant donné que la différence maximale tolérée en milieu clinique entre réalité et simulation est de 5%, notre approche semble acceptable et pourrait donner suite à de futurs développements. Cela dit, le petit nombre de SG testés justifie pleinement une vaste campagne de tests mécaniques et simulations supplémentaires à des fins de validation. / This thesis work is concerned with the simulation of the deployment of stent-graft (SG) vascular prostheses in abdominal aortic aneurysms (AAA) during endovascular repair (EVAR). This study is composed of three main parts: (i) mechanical tests in bending and compression of frequently used SG (body and leg from Cook) as well as the numerical simulation of these tests, (ii) development of a numerical AAA model, (iii) strategy of simulation of SG deployment. The finite element method is used. In a first step, a verification of the finite element model (FEM) of SG is performed by comparison of the different load cases with their experimental counterparts. Subsequently, the vascular FEM is also verified in terms of maximal principal constraints in the wall against values available in the literature. Finally, the deployment is investigated while taking the catheters into account. The mechanical tests performed on the SG were simulated with a maximal difference of 5.93%, while accounting for the pre-load in stents. The FEM of the vascular structure showed maximal principal stresses that were 4.41% far from the ones found in the literature for a similar model. Regarding the simulation of SG deployment, a complete set of SG could be deployed with a good control of the relative and global position into a specific and pre-deformed AAA, however, no intra-luminal thrombus (ILT) was included. The AAA wall was modeled with an isotropic hyperelastic constitutive law. In the clinical setting, the maximum tolerated difference between reality and simulation is 5%, therefore, our approach seems acceptable, and could give rise to further developments. However, the small amount of tested SG justifies a wide campaign of additional mechanical tests and simulations for the sake of validation.

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects. / L’importance des échanges de phosphore liés à l’apparition de troubles et de maladies neurodégénèratives a suscité l’intérêt des chercheurs en ce qui concerne le développement de technologies pouvant détecter ces composés métaboliques. Á l’aide de la spectroscopie en résonance magnétique du phosphore, il est possible de détecter ces métabolites d’une manière non-invasive. Cette technique permet plus particulièrement de mesurer le taux de degénération de la phosphocréatine (PCr) lors de périodes d’exercice et de récupération post-activité. Cette dernière métrique agit en tant qu’indicateur valide du métabolisme oxydatif mitochondrial dans le muscle et permet de différentier un muscle sain d’un muscle pathologique. Pour effectuer l’imagerie ou la spectroscopie par résonance magnétique, de nombreux outils cliniques peuvent être utilisés afin de générer des images comprenant une variété de contrastes anatomiques et fonctionnels. Par contre, ces contrastes ne peuvent être habituellement produits qu’à partir des molécules d’eau ou des atomes d’hydrogène renfermés dans les tissus biologiques et les outils permettant de générer les images correspondantes demeurent, pour la plupart, insensibles à la présence d’autres atomes d’intérêt. Au cours de ce projet, il a été question d’obtenir un spectre du phosphore à partir de l’activité musculaire chez l’humain in vivo en se servant de la technique de spectroscopie de type 31P. Pour ce faire, une antenne radiofréquence à deux canaux, devant être syntonisée à la fréquence de résonance du phosphore, a d’abord été conçue et fabriquée en laboratoire pour ensuite être validée lors d’expériences sur une plateforme IRM 3T de marque Siemens. Les spectres du phosphore furent acquis sur un fantôme, une solution de phosphate de potassium à une concentration de 100 mM, ainsi que sur le mollet d’un sujet humain au cours d’une période de repos, d’exercice et de récupération. Le spectre obtenu à la suite de cette dernière expérience démontre la présence accrue du phosphore lors de procédés métaboliques à haute teneur énergétique impliquant la dégradation de phosphates. Par la suite, il a été question d’observer la variation des niveaux de PCr durant des périodes d’exercice et de récupération chez 5 jeunes adultes effectuant une série iv de flexions plantaires ayant un élément résistif attaché à leurs pieds. La démarche entreprise au cours de ce projet permettra l’utilisation future des techniques quantitatives en spectroscopie pour l’évaluation du métabolisme des phosphates chez des patients souffrant de maladies coronariennes ainsi que chez des sujets contrôles sains provenant du même ensemble démographique.

Des anomalies dans la morphologie pelvienne, la posture du tronc et le contrôle de l’équilibre de jeunes filles atteintes de scoliose idiopathique de l’adolescence (SIA) ont souvent été l’objet d’études. Rares sont celles ayant distingué ces troubles en fonction de la sévérité de la déformation vertébrale. De plus, aucune n’a évalué à l’intérieur d’une même étude l’orientation et la distorsion pelvienne, l’asymétrie posturale et l’instabilité en position debout de sujets SIA. Une telle étude permettrait de comprendre le développement de la maladie et de mettre en évidence des facteurs de risque aidant au pronostic. L’objectif général de cette thèse est d’identifier des facteurs biomécaniques associés à la croissance osseuse, la posture et l’équilibre distinguant une SIA modérée d’une sévère. Les positions 3D de 14 repères prises sur 46 filles ayant une SIA droite (modérée et sévère) et 28 sujets témoins ont été captées pour quantifier la morphologie pelvienne et la posture. Un maintien en position debout de 64 s sur une plate-forme de force a aussi été enregistré afin d’évaluer leur équilibre. Les paramètres retenus sont les angles d’orientation pelvienne et du tronc; les distances entre la crête iliaque et S1 mesurant la distorsion pelvienne; la moyenne, l’amplitude et la vitesse du centre de pression (COP) en médiolatéral (ML) et antéropostérieur ainsi que la moyenne et l’amplitude du moment libre. Les différences entre les trois groupes (témoin, SIA modérée et SIA sévère) sont testées par des ANOVA et les relations entre l’angle de Cobb et les paramètres pelviens, posturaux ou d’équilibre, par des coefficients de corrélations. De plus, des régressions multiples exprimant l’angle de Cobb sont effectuées avec les paramètres pelviens, posturaux et d’équilibre afin de déterminer la classe de paramètres prédisant le mieux l’angle de Cobb. Aucune ANOVA n’est significative pour l’orientation pelvienne, bien que des différences de géométrie pelvienne soient notées entre les deux groupes de sujets SIA. Les SIA modérées ont un pelvis gauche moins profond que les SIA sévères et les sujets témoins, tandis que les SIA sévères ont un pelvis droit plus large d’environ 1,5 cm que celui des SIA modérées. Un coefficient de corrélation de -0,54 associe une rotation pelvienne droite à l’augmentation de la largeur de la crête iliaque. Au niveau postural, les SIA sévères démontrent des inclinaisons latérales et antérieures du tronc ainsi qu’une rotation axiale du haut du corps plus marquées que les SIA modérées. Les corrélations entre les paramètres posturaux, l’angle de Cobb et la morphologie pelvienne indiquent que l’attitude posturale est associée à la distorsion pelvienne dans tous les plans anatomiques, tandis qu’elle ne l’est que dans les plans sagittal et horizontal à l’angle de Cobb. Les différences retrouvées entre les deux groupes SIA concernant les troubles d’équilibre résultent en une augmentation de l’amplitude et de la vitesse du COPML. Une régression multiple de 0,896 est observée par l’emploi des paramètres pelviens, posturaux et d’équilibre, bien que ceux se rapportant à la distorsion pelvienne soient les mieux corrélés à l’angle de Cobb. Cette thèse permet de distinguer la morphologie pelvienne de sujets SIA sévères des modérées, soulignant la détection d’une anomalie de croissance avant que l’angle de Cobb ne soit élevé. Bien que les indices de croissance pelvienne soient davantage corrélés à ce dernier, c’est en considérant globalement la morphologie pelvienne, la posture et l’équilibre qu’une détermination précise de la sévérité d’une scoliose est réalisée. La mise en évidence de tels facteurs de prédiction de la SIA peut faciliter le pronostic d’une courbure. / The effect of adolescent idiopathic scoliosis (AIS) on pelvis morphology, body posture and standing balance in young girls has been studied many times. However, only few studies have distinguished the effect associated with moderate AIS from a severe one. Moreover, no one ever assessed within one investigation pelvis orientation and distortions, postural asymmetry and standing imbalance in AIS subjects. This would help understanding the evolution of the disease and to shed light on risk factors that would facilitate the prognostic. The aim of this thesis is to identify biomechanical factors related to bone growth, posture and balance which can distinguish a moderate AIS from a severe one. The 3D coordinates position of 14 body landmarks taken on 46 young girls with right AIS (moderate and severe) curvature and 28 control subjects is captured to quantify pelvis morphology and body posture. An upright standing is recorded during 64 s on a force plate to assess standing balance. From these data, the following parameters are calculated: orientation angle in all 3 planes for pelvis and trunk; distances between S1 and iliac crest to evaluate pelvis distortion; mean position, range and velocity of the center of pressure (COP) in mediolateral (ML) and anteroposterior axis and mean and range of the free moment. Differences between groups (control, AIS moderate and AIS severe) are tested by ANOVA and relationship between Cobb angle and pelvis, postural and balance parameters are calculated by correlation coefficients. Multiple regressions expressing Cobb angle by pelvis, postural and balance parameters are also carried out to determine which class of parameters is able to predict more effectively the Cobb angle’s curvature. No significant ANOVA is found for pelvis orientation, even though differences in pelvis geometry are noticed between the two groups of AIS subjects. Moderate AIS have a left pelvis with a depth less than severe AIS, whereas AIS severe have a larger right pelvis of 1,5 cm than moderate AIS. A correlation coefficient of -0,54 relates a right pelvis rotation to an increase in iliac crest’s width. About postural asymmetries, severe AIS shows lateral and anterior trunk bending and an axial rotation in the upper level of the trunk that are more pronounced compared to moderate AIS. Correlations between postural parameters, Cobb angle and pelvis morphology indicate a relationship between posture and pelvis distortion in all three planes, but only in the sagittal and horizontal plane between posture and Cobb angle. Differences in standing balance between the two groups of AIS show an increase in COPML range and velocity. A multiple regression of 0,896 is found for the Cobb angle using pelvis, postural and balance parameters. Parameters related to pelvis distortion correlate the most with Cobb angle (0,70). This thesis was able to differentiate severe AIS pelvis morphology from those of the moderate one. Pelvis morphology allows detecting a growth abnormality before the Cobb angle becomes high. Even if pelvis growth is more correlated to the Cobb angle, considering globally pelvis morphology, posture and standing balance will allow determining precisely the severity of AIS. Shedding light on such factors during the evolution of the disease helps an AIS curvature prognosis.

Dans ce mémoire, nous décrivons le travail effectué pour étendre nos connaissances sur les sources d’instabilité instrumentales en imagerie de résonance magnétique, en particulier dans le domaine anatomique par une étude où cinq adultes ont été scannés quatre fois dans la même plate-forme IRM, deux fois avant et deux fois après une mise à niveau importante d’un scanner 3T de Siemens. Les volumes de l’hippocampe droit et gauche de chaque sujet ont été mesurés avec une segmentation manuelle. Nous avons analysé la fiabilité test-retest avant et après la mise à niveau du système d’IRM. Dans le domaine fonctionnel, cinq adultes ont été scannés quatre fois dans la même plate forme IRM deux fois avant et deux fois après la même mise à niveau du scanneur. Les acquisitions du signal BOLD sont faites dans deux différentes résolutions spatiales (2x2x2mm et 4x4x4mm) pour évaluer la sensibilité du signal BOLD sous conditions de haute et basse SNR. Une dernière étude fonctionnelle sur fantôme avait pour but d’étudier la stabilité de la machine pour les images fonctionnelles et détecter les sources de bruit de type machine. La séquence EPI (Echo Planar Imaging) d’écho de gradient à deux dimensions a été utilisée. Des analyses comme le pourcentage des fluctuations et l’analyse de Fourier des résidus ont également été réalisées. Nous résultats indiquent que les différences dans le matériel provenant d’une importante mise à niveau ne peuvent pas compromettre la validité des études structurelles et fonctionnelles faites à travers la mise à niveau du scanneur. Les acquisitions quotidiennes ont permis de suivre l’évolution de la stabilité et de détecter toute source de bruit qui peut détériorer la détection des activations dans les images fonctionnelles. / In this thesis, we describe work we carried out to extend our knowledge on instrumental sources of MRI variability, in both anatomical and functional imaging. The anatomical study involved five adults scanned four times in the same platform MRI twice before and twice after a major update of a 3T Siemens scanner. The volumes of left and right hippocampus of each subject were measured with a manual segmentation. We then analyzed the test-retest reliability before and after updating the MRI system. In the functional study, five adults were scanned four times on the same MRI system twice before and twice after a major hardware update. Blood oxygenation level- dependent (BOLD) acquisitions were made at two different spatial resolutions (2x2x2mm and 4x4x4mm) to assess the reproducibility of BOLD measurements under conditions of high and low SNR. A final functional study using a gel phantom was used to study the stability of the machine for functional images and isolate the sources of noise arising from hardware. Two-dimensional gradient-echo EPI (Echo Planar Imaging) signals were analyzed to assess the percentage variability and Fourier analysis of residual error performed. Our results indicate that the differences in hardware from a major upgrade do not significantly affect the reliability of structural and functional studies spanning a major hardware upgrade. Daily quality assurance acquisitions on phantoms can be used to monitor the stability of the machine, which may aid in the early detection of hardware faults.