Dans le contexte de l’amélioration des traitements de radiothérapie, la planification de traitement sur image par résonance magnétique (IRM) présente l’avantage de supprimer les incertitudes des contours liées au recalage avec l’image de scanographie (CT). L’objectif principal de la thèse est de contribuer au développement de méthodes de génération de CT synthétique (pCT) à partir de l’IRM et d’évaluer leurs incertitudes sur la dose planifiée par calcul Monte Carlo dans le cadre de la stéréotaxie intracrânienne.Dans la première partie, une calibration stœchiométrique du CT a été réalisée. Celle-ci a été intégrée à un système de contrôle qualité des plans de traitement par simulation Monte Carlo. Nous avons ensuite démontré la précision des calculs Monte Carlo sur la base de la seule connaissance de la quantité d’hydrogène présente dans les tissus en utilisant cette calibration. La quantification de l’hydrogène des tissus à partir de séquences IRM a ensuite été étudiée théoriquement et expérimentalement.La seconde partie concerne la génération d’un pCT par méthode atlas avec prise en compte de l’intensité des voxels IRM (séquence 3D T1). Une étude dosimétrique sur une cohorte de patients a été menée afin d’évaluer la qualité de la méthode. Des solutions ont été proposées afin d’améliorer le résultat de la méthode dans les cas anatomiques particuliers La génération de pCT à partir d’une IRM permettra de supprimer l’examen CT de la pratique routinière, menant à une simplification du flux de travail, une diminution des coûts, et à une intégration cohérente avec les machines de traitement couplées à un scanner IRM. / In the context of quality assurance of radiotherapy treatment , magnetic resonance imaging (MRI)-only treatment planning removes contour uncertainties originating from image registration between MRI and computed tomography (CT). The main aim of the thesis is to develop methods to generate synthetic CT (pCT) from MRI and to evaluate uncertainties on Monte Carlo planned dose within the framework of stereotactic radiosurgery. In the first chapter, stoichiometric calibration of the CT was realized. This was integrated into our Monte Carlo-based treatment plan quality control system. Using this calibration, we demonstrated that only the hydrogen content of tissues is required to perform accurate Monte Carlo dose calculations. Tissue hydrogen quantification from MRI sequences was then theoretically and experimentally studied. The second part concerns pCT generation from a conventional 3D T1-weighted sequence using an in-house atlas-based deformation method, where MRI intensity is taken into account while generating the pCT. A dosimetric study on a patient cohort was performed to evaluate the performance of the method. Several solutions were proposed in order to improve the results in the case of a particular patient anatomy. pCT generation from MRI will allow to remove the CT exam from routine practice, which will lead to a workflow simplification, a cost diminution, and a consistent integration of clinical practice when using treatment machines with an integrated MRI scanner.

La cécité précoce induit des modifications majeures dans l’architecture fonctionnelle du cerveau. Les lobes occipitaux ne traitent plus l’information visuelle mais vont désormais traiter les signaux auditifs et tactiles et participer à des fonctions cognitives telles que le langage et la mémoire. Cette nouvelle organisation fonctionnelle nous permet de mieux comprendre l’influence de l’expérience sensorielle sur le développement cérébral. Nous avons étudié cette réorganisation et certains de ses possibles déterminants. Tout d’abord, nous avons utilisé l’imagerie par résonnance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour identifier les régions du cortex visuel activées par différentes fonctions cognitives. Nous avons également montré que chacune de ces régions est fonctionnellement connectée au réseau cérébral qui sous-tend la fonction correspondante chez les sujets sains. Puis, nous avons réalisé une étude de la connectivité fonctionnelle chez des nouveau-nés, qui suggère que la connectivité innée du cortex visuel guide la réorganisation observée chez les aveugles. Ensuite, grâce à la magnétoencéphalographie (MEG), nous avons étudié la réorganisation de la représentation cérébrale du sens des mots. Chez les aveugles, l’accès au sens des mots a le même décours temporel que chez les sujets voyants, mais il recrute le cortex occipital en sus des régions habituelles. Enfin, nous avons observé une variabilité individuelle plus importante chez les aveugles dans l’organisation cérébrale du système sémantique. Nos résultats contribuent ainsi à la compréhension de la réorganisation cérébrale dans la cécité, et plus généralement du rôle de l’expérience perceptive dans le développement. / Blindness early in life leads to major changes in the functional architecture of the brain. The occipital lobes, no longer processing visual information, turn to processing auditory and tactile input and high-order cognitive functions such as language and memory. This functional reorganization offers a window into the influence of experience on brain development in humans. We studied the outcomes of this reorganization and its potential precursors. First, we used functional magnetic resonance imaging (fMRI) in order to delineate regions in the visual cortex according to their sensitivity to high-order cognitive functions. Then, using functional connectivity, we demonstrated distinct connections from those regions to the rest of the brain. Crucially, we found a functional correspondence between the visual regions and their connected brain networks. Then, using functional connectivity in neonates, we provided preliminary evidence in support of the proposition that innate connectivity biases underlie functional reorganization. Second, we focused on language, one of the reorganized functions in blindness, and used magnetoencephalography (MEG) to investigate verbal semantic processing. We found temporally equivalent but spatially different activation across the blind and the sighted. In the blind, the occipital cortex had a unique contribution to semantic category discrimination. However, the cerebral implementation of semantic categories was more variable in the blind than in the sighted. Our results advance the knowledge about brain.

L'IRM quantitative a un potentiel énorme pour fournir une valeur intrinsèque et indirecte aux propriétés des tissus utiles au diagnostic, au pronostic et aux essais cliniques de la sclérose en plaques (SEP), qui est une maladie inflammatoire du système nerveux central. Complémentaire à l’imagerie cérébrale, étudier l’impact de la maladie sur la moelle épinière grâce à l’imagerie quantitative, en particulier l’IRM de diffusion, devient un véritable défi. L'acquisition et le traitement de ce type de données posent des problèmes inhérents en raison de la distorsion de susceptibilité, de la petite section transversale de la moelle et l’absence de repères anatomiques visibles qui permettant d'identifier des voies ou du niveau vertébral. Dans ce contexte, nous proposons plusieurs contributions pour le traitement et l'analyse statistique de ces données. Tout d'abord, nous proposons de nouvelles métriques géométriques pour évaluer et comparer différentes méthodes de correction de distorsion en mesurant l'alignement du modèle de diffusion reconstruit avec l'axe central apparent de la moelle épinière. Deuxièmement, en utilisant une cohorte de patients atteints de SEP et de témoins sains, nous étudions le lien entre les mesures de diffusion et la présence ou l'absence de lésion dans un niveau vertébral donné et nous montrons que nous pouvons prédire ce dernier avec une bonne précision en utilisant un apprentissage linéaire multivarié. Enfin, nous montrons la faisabilité d’une étude longitudinale de l’évolution des métriques d'IRM de diffusion en réalisant une étude de reproductibilité à l’aide d’un ensemble de données test-retest, et l’appliquons aux 2 premières acquisitions (M0 et M12) de notre cohorte de patients. / Quantitative MRI has huge potential to provide intrinsic and normative value to tissue properties useful for diagnosis, prognosis and ultimately clinical trials in multiple sclerosis (MS) which is an inflammatory disorder of the central nervous system. Complementary to brain imaging, investigating how the spinal cord is damaged using quantitative imaging, and in particular diffusion MRI, becomes an acute challenge. Acquiring and processing this type of data present inherent challenges due to the susceptibility distortion, the small crosssectional area of the spine and the lack of visible anatomical landmarks to help identification of tracts or vertebral level. In this context, we propose several contributions for the processing and statistical analysis of this data. First, we propose novel geometric metrics to evaluate and compare different distortion correction methods by measuring the alignment of the reconstructed diffusion model with the apparent centerline of the spine. Second, using a cohort of MS patients and healthy controls, we study the link between diffusion measures and the presence or absence of lesion in a given vertebral level and we show that we can predict the latter with good accuracy by learning a multivariate linear classifier. Last, we show the feasibility of longitudinal study of the evolution of diffusion MRI metrics by performing a reproducibility study using a test-retest dataset and apply it to the 2 first timepoints (M0 and M12) of our cohort of MS patients.

Le cancer tue en France 150.000 personnes chaque année, chiffre qui justifie pleinement de faire de la lutte contre cette maladie un axe de recherche majeur. Lutter contre le cancer passe tout d'abord par un dépistage précoce. Dans ce contexte, nous avons tenté de mettre au point un système innovant de diagnostic qui consiste à cibler une tumeur par des lymphocytes marqués magnétiquement et utilisés comme agents de contraste en IRM.<br />L'objectif de notre étude est de marquer le plus efficacement possible des lymphocytes périphériques, grâce à des nanoparticules d'oxydes de fer superparamagnétiques (USPIOs), sans compromettre la viabilité cellulaire, afin de suivre l'infiltration tumorale en IRM. L'efficacité de marquage a été évaluée en déterminant le pourcentage de cellules marquées et la quantité de fer intracellulaire. L'efficacité du marquage sur les images d'IRM a également été évaluée grâce à une nouvelle méthodologie basée sur la quantification des hyposignaux à partir des cartographies 3D T2*.<br />La mise en place de ce système original de diagnostic précoce des tumeurs requiert plusieurs étapes : <br />(1) Choisir parmi les différentes particules synthétisées au laboratoire celle qui marque le plus efficacement les cellules en utilisant une lignée BLCL (B Lymphoblastoïd Cell Line) comme modèle.<br />(2) Marquer les lymphocytes périphériques murins, après les avoir activés de manière non spécifique (Concanavaline A / Il-2), en vue d'une injection autologue par voie intraveineuse chez le rat Sprague Dawley femelle portant une tumeur.<br />(3) Suivre en IRM l'infiltration tumorale des lymphocytes activés et marqués.

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La formulation optimale des fluides thixotropes est essentielle dans de nombreux procédés, par exemple dans le domaine des forages pétroliers. Ceci passe par une compréhension fine des liens entre les évolutions de leur microstructure et leurs propriétés d'écoulement. Nous étudions ici les propriétés d'un système émulsion inverse comprenant des argiles organophiles utilisés comme fluide de forage. Nous travaillons sur le fluide réel et sur une émulsion modèle en régime solide, en régime liquide, et durant l'arrêt du matériau sous faibles sollicitations mécaniques. A l'aide d'expériences de rhéométrie conventionnelle et de vélocimétrie IRM, nous avons identifié les origines structurelles des principales propriétés rhéologiques en fonction des concentrations des constituants : le seuil de contrainte, le vieillissement au repos, la bifurcation de viscosité en régime liquide, le déplacement de l'interface solide-liquide au sein du fluide. En particulier nous montrons que l'arrêt progressif de l'écoulement sous une contrainte critique est induit par la croissance d'agrégats. L'homogénéité du matériau lors de nos expériences rhéologiques a été vérifiée par des mesures de concentrations locales par RMN. Ces résultats montrent l'importance des liens argileux pour les propriétés thixotropes de ces systèmes.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet RNTS R-MOD qui visait le développement d'un simulateur morpho-fonctionnel des voies respiratoires. Des méthodes de visualisation et de quantification de flux gazeux pulmonaires par IRM des gaz hyperpolarisés (GHP) ont été développées pour pouvoir valider les résultats du simulateur.<br />Pour atteindre cet objectif, un système adapté à l'environnement spécifique de l'IRM a été développé pour permettre l'administration de GHP de manière contrôlée, et différentes approches d'imagerie du flux de GHP ont été explorées.<br />La 1ère approche est basée sur de l'imagerie dynamique de l'inspiration de GHP. Ce type d'expérience est analysé. L'évolution du phénomène est trop rapide pour être observée correctement avec les techniques actuelles. Néanmoins, un état d'équilibre dynamique de la répartition spatiale de l'aimantation dans les poumons lors d'inspirations en régime stationnaire est observable. Les paramètres dont dépend cet équilibre et une partie de ce qui peut être quantifié par le biais de ce type d'expérience ont été formalisés et les concepts introduits ont été validés par différentes expériences d'imagerie dynamique.<br />La 2ième approche, quantitative, est basée sur la vélocimétrie par contraste de phase combinée à l'imagerie radiale rapide. D'abord validée quantitativement sur des fantômes d'écoulement connus (tube droit, coude, bifurcation), la technique a ensuite été appliquée sur un modèle réaliste d'arbre bronchique et comparée à une simulation numérique des écoulements. Les 3 composantes de la vitesse ont été mesurées en environ 1 s avec une résolution spatiale du mm et une précision du cm•s-1. Enfin, la faisabilité in vivo de la mesure de vitesse dans les voies aériennes pulmonaires a été démontrée dans la trachée lors d'une inspiration.<br />Cet outil de caractérisation des écoulements à l'aide de l'IRM des GHP ouvre des voies prometteuses aussi bien pour la physique des écoulements que pour les applications médicales.

Les nouveaux matériaux cimentaires fluides présentent des propriétés de thixotropie, phénomène réversible de gélification (au repos) - liquéfaction (en écoulement), qu'il est nécessaire de comprendre et de caractériser. Des essais croisés de rhéométrie globale (rhéomètre classique) et locale (vélocimétrie IRM) permettent d'obtenir le comportement complet en régime permanent et transitoire d'une pâte de ciment blanc. En particulier nous mettons en évidence une bifurcation de viscosité, traduisant un changement brutal de comportement en dessous d'une contrainte et d'un gradient de cisaillement critique. Un modèle simple, basé sur ces observations, permet de retrouver les propriétés observées. Son application à des essais d'écoulements sur plan incliné montre que cette configuration peut s'avérer un moyen simple de caractérisation pratique de la thixotropie.

Ce mémoire rapporte la mise en oeuvre de la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de l'hélium-3 hyperpolarisé à 0,1 T puis à 1,5 T, in vivo, chez l'Homme sain. L'utilisation des gaz hyperpolarisés en IRM entraîne deux conséquences majeures : l'absence de régénération de l'aimantation longitudinale et une diffusion très rapide. Prenant en considération ces deux contraintes, différentes stratégies d'acquisition sont comparées à bas champ (0,1 T) : séquences "single-shot" (RARE et EPI) et "multi-shot" (FLASH). On montre ainsi que la séquence RARE permet d'acquérir des images de bonne qualité en moins de 400 ms avec peu de gaz ; la séquence EPI a l'avantage de la rapidité mais entraîne davantage d'artefacts, en particulier en raison du terme de Maxwell ; ces deux séquences sont intrinsèquement limitées en résolution à 5 mm in vivo ; la séquence FLASH, moins efficace en termes de rapport signal sur bruit, permet cependant d'atteindre de meilleures résolutions. Les avantages de l'utilisation d'un bas champ magnétique en régime hyperpolarisé sont discutés : en particulier, le rapport signal sur bruit est, dans une très large gamme, indépendant du champ principal. Des mesures RMN puis IRM de diffusion utilisant la technique CPMG sont présentées et permettent de mettre en évidence la restriction due à la structure alvéolaire des poumons.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est une technique d'imagerie médicale largement répandue dans les milieux hospitaliers pour le diagnostic de pathologies. Elle repose classiquement sur la détection du proton (IRM 1H) et permet de visualiser des tissus en profondeur avec une très bonne résolution temporelle et spatiale. Cependant, cette méthode souffre encore de sa faible sensibilité. Une des solutions consiste en l'introduction et la détection de xénon hyperpolarisé. En effet, le xénon est un gaz non toxique, très sensible à son environnement chimique et adapté pour l'IRM. Cependant, il n'est spécifique d'aucun récepteur biologique et nécessite des molécules particulièrement adaptées pour son encapsulation. La détection de cibles spécifiques se fait par des biosondes constituées de molécules cages fonctionnalisées par une antenne de reconnaissance d'un récepteur spécifique. Le xénon vient s'encapsuler dans cette molécule hôte et permet la localisation de la cible biologique. Parmi les molécules cages répertoriées dans la littérature, les cryptophanes présentent la plus forte affinité connue pour le xénon et sont donc les plus prometteuses. Les cryptophanes sont constitués de deux unités de type cyclotribenzylène reliées entre elles par trois chaînes pontantes. Ils ont été synthétisés pour la première fois par l'équipe d'A. Collet au Collège de France au début des années 1980. L'objectif de cette thèse a été de synthétiser et de fonctionnaliser de nouveaux cryptophanes.