L’incidence et la prévalence des maladies valvulaires sont en augmentation, l’épidémiologie de ces maladies se modifie avec une prépondérance des maladies dégénératives, et le traitement considéré est le plus souvent le remplacement valvulaire prothétique, notamment dans le cadre de la sténose aortique qui est la maladie valvulaire la plus fréquente. Les techniques de remplacement valvulaire et les prothèses valvulaires ont grandement évolué ces dernières années, notamment avec le développement des implantations de prothèses par voie percutanée. Cependant les substituts valvulaires aortiques biologiques sont exposés à des complications diverses mettant en jeu la fonction de la prothèse : fuite péri-prothétique, endocardite infectieuse, dégénérescence des tissus biologiques. Ces complications restent des challenges diagnostiques et l’échographie est l’imagerie de référence. Cependant, l’imagerie cardiaque et valvulaire a réalisé de grands progrès, et l’utilisation d’autres techniques ou modalités d’imagerie peut être une alternative ou un complément à l’exploration par échocardiographie : imagerie par scanner, imagerie par résonance magnétique, imagerie nucléaire. Le recours et la combinaison de ces différentes techniques s’intègrent dans une approche globale, nommée imagerie multimodale. L’objectif général de ce projet de doctorat a été d’étudier l’apport de l’imagerie multimodale dans la surveillance des bioprothèses aortiques et l’évaluation des complications et de la dégénérescence structurelle qui peuvent survenir. / The incidence and prevalence of heart valve diseases are increasing worldwide. Their epidemiology also changes, and the required treatment is most often a prosthetic valve replacement, especially for aortic stenosis that is the most frequent heart valve disease. Techniques of valve replacement as well as prosthesis themselves have dramatically evolved in recent years, especially with the development of percutaneous transcatheter procedures. However, biologic aortic valve substitutes are at risk of several complications including prosthetic valve dysfunction, paravalvular regurgitation, infective endocarditis and structural valve deterioration. Correctly diagnose any of these complications still is a challenge but echocardiography plays a pivotal role and remains the gold-standard as per diagnostic imaging. Nonwithsanding the fact that echocardiography is the main imaging modality for valvular anomalies, great progress has been made in cardiac imaging and modalities like CT-Scan, MRI and nuclear imaging are nowadays regularly used along with echocardiography. The use and combination of these different techniques are part of a global approach, entitled multi-modality imaging.The general objective of this doctoral project was to study the contribution of the multi-imaging approach in the assessment of the bioprosthesis function and screening for complications and structural valve deterioration that may occur.

Le flux sanguin cérébral (CBF) caractérise la micro-circulation et l'irrigation des tissus. Cette information de perfusion cérébrale est utilisé en clinique pour le diagnostic et le suivi thérapeutique de nombreuses maladies. La technique de mesure de CBF la moins invasive est celle par marquage de spins artériels (ASL) où l'eau du sang fait office de traceur. L'objectif de cette thèse, menée dans le cadre d'une convention CIFRE, consistait à faciliter l'utilisation de séquences ASL continues et pseudo-continues (CASL, pCASL) ainsi qu'à améliorer leur performance en pré-clinique. En effet, la mesure quantitative de CBF par ASL est un protocole complexe qui nécessite plusieurs étapes d'ajustements, d'acquisitions et de traitement de données. Dans le but d'alléger ce protocole, un package CASL a été développé en collaboration avec Bruker. Plusieurs étapes d'ajustements et de post-processing ont été automatisées, rendant la génération de cartes CBF relatives et absolues plus aisée. Le champ magnétique élevé des scanners IRM pré-cliniques présente de nombreux avantages mais est également une source de problèmes en ASL. Nous nous sommes intéressés plus particulièrement à deux d'entre eux : l'instabilité du marquage de spins et l'échauffement induit par les séquences ASL. Pour stabiliser le marquage ASL, une stratégie d'optimisation de la séquence pCASL a été développée et testée chez le rat à 9.4 T. Ceci a permis l'obtention d'un marquage robuste, même en situations de shim dégradé. Le package pCASL a été partagé avec dix autres instituts dans le monde. L'échauffement induit lors de séquences CASL et pCASL par le dépôt d'énergie radiofréquence a été caractérisé globalement et localement, dans le cerveau et au niveau des carotides, pour deux configurations d'antenne d'émission. Pour finir, une séquence pCASL encodée en temps a été développée et appliquée à la souris, dans le cadre d'une collaboration avec des équipes néerlandaises du Leiden University Medical Center. Cet outil permet la mesure simultanée de CBF et du temps de transit artériel, un paramètre pouvant refléter des pathologies vasculaires sous-jacentes. / Cerebral blood flow (CBF) characterizes the blood supply to brain tissue. This perfusion-related parameter contributes in diagnosis and therapeutic follow-up in many diseases. The least invasive technique to measure CBF is arterial spin labeling (ASL), where arterial water is used as tracer. The aim of this PhD project, conducted within a CIFRE agreement (Convention Industrielle de Formation par la REcherche), was to increase the performance and to facilitate the use of continuous and pseudo-continuous arterial spin labeling (CASL, pCASL) tools in preclinical studies. CBF quantification by means of ASL is one of the most challenging MRI modalities in terms of the workflow, since additional adjustments, acquisitions and post-processing steps are required. First, to render the workflow smoother for the user, a CASL package has been developed in collaboration with Bruker. This workflow allows easier relative and absolute CBF measurements, thanks to the integration of automated adjustments and reconstruction steps. In a second step, problems arising at high magnetic field were addressed. A strategy to optimize the pCASL labeling sequence in order to obtain robust results was developed and its robustness towards suboptimal shim conditions was demonstrated at 9.4 T in rats. The developed pCASL-package, consisting of three sequences, was shared with ten other institutes worldwide. Another issue encountered at high magnetic fields is heating due to RF power deposition, which was assessed locally in the brain and in the carotids, as well as globally, for the CASL and pCASL sequences and for two different transmit coil configurations. In a third step, time-encoded pCASL was developed in mice in collaboration with teams of the Leiden University Medical Center. This tool enables the simultaneous mapping of CBF and arterial transit time, a parameter that can reflect underlying pathologies such as increased vessel tortuosity or occlusion.

Dans cette thèse, nous discutons et proposons un certains nombre de méthodes pour l'analyse de données d'IRM -imagerie par résonance magnétique- fonctionnelle. L'IRM fonctionnelle est une modalité récente de l'exploration du cerveau: elle produit des séquences d'images reflétant l'activité métabolique locale, celle-ci reflétant l'activité neuronale. Nous nous intéressons tout d'abord à la modélisation des séries temporelles obtenues pour chaque voxel séparément, en faisant appel aux techniques de prédiction linéaire et au calcul de l'information des processus modélisés. Nous étudions ensuite différentes généralisations multivariées de ce modèle. Après avoir rappelé et discuté certaines techniques classiques (analyse en composantes indépendantes, regroupement), nous proposons successivement une approche linéaire fondée sur la théorie des systèmes à état et une approche non-linéaire fondée sur les décompositions à noyau. Le but commun de ces méthodes -qui peuvent se compléter- est de proposer des décompositions qui préservent au mieux la dynamique des données. Nous introduisons ensuite une approche nouvelle par réduction de la dimension des données; cette approche offre une représentation plus structurée et relativement agréable à visualiser. Nous montrons ses avantages par rapport aux techniques linéaires classiques. Enfin, nous décrivons une méthodologie d'analyse qui synthétise une grande partie de ce travail, et repose sur des hypothèses très souples. Nos résultats offrent ainsi une description globale des processus dynamiques qui sont mis en image lors des expériences d'IRM fonctionnelle.

L'embolisation artérielle a récemment émergé sur le plan interventionnel comme un traitement sûr et efficace pour arrêter une hémorragie ou induire la dévascularisation d'un tissu cible. La visualisation directe des agents d'occlusions vasculaires n'est pas toujours possible. L'estimation de leur position dans la branche vasculaire en se basant sur la distribution de produit opaque aux rayons X est partiellement incorrecte. Un marquage des agents d'occlusion vasculaire est souhaitable pour leur suivi par IRM pendant l'intervention ou a posteriori, ce, notamment en raison de la diffusion de l'IRM comme modalité d'imagerie anatomique et interventionnelle. Dans ce travail, plusieurs protocoles ont été établis pour repérer des agents d'occlusion vasculaire marqués avec le SPIO, in situ, in vitro et dans des « conditions » in vivo, sous IRM 1,5T et 3T. Les agents d'occlusion étudiés sont des microsphères de trisacryl (Embosphère®), et des microparticules ou microcapsules utilisées éventuellement comme vecteurs de principes actifs : parmi celles-ci, des microsphères gonflables (Hépasphère™) non dégradables ont été marquées, et des microbilles d'alginate et des systèmes d'émulsions dégradables réalisés par nos soins. L'établissement de protocoles de détectabilité sous IRM a impliqué le choix de séquences et l'optimisation des paramètres de ces séquences, le choix de l'antenne, ainsi que la mise au point d'une quantité suffisante de marqueur dans les agents d'occlusion afin qu'ils soient visibles à l'IRM. Une méthodologie de mesure de faible variation de l'intensité du signal des images IRM a été développée. Un modèle expérimental in vitro a été conçu avec la présence des microparticules marquées dans un environnement simulant grossièrement une vascularisation tumorale et son drainage veineux. La fixation des immunoglobulines (IgG1), équivalentes aux anti-VEGF, sur des microsphères (Hépasphères™) a été étudiée. Enfin, les propriétés mécaniques et électriques des systèmes de microémulsions ont été explorées par ultrasons et par impédancemétrie.

Ce travail présente une étude expérimentale sur l'effet de la diffusion restreinte de l'hélium-3 hyperpolarisé dans l'acinus pulmonaire effectuée à bas champ magnétique 0,1 T. Plusieurs fantômes avec différentes tailles et connections modélisant l'acinus humain sain et à un stade précoce de l'emphysème ont été réalisés selon le modèle de Kitaoka. L'atténuation du signal dévie par rapport au comportement prévu de décroissance exponentielle en G2, G étant l'intensité de gradient. Cette observation indique une certaine ambiguïté sur la possibilité de quantifier de façon absolue le coefficient de diffusion apparent (ADC), sauf dans la limite G faible. Des simulations Monte-Carlo sont en bon accord avec les mesures. Des séquences originales rapides basées sur le principe des échos de spin multiples ont été développées, pour accéder à une valeur globale d'ADC à des temps longs permettant l'exploration du gaz dans toute la structure de branchement de l'acinus. Des mesures sur un modèle animal d'emphysème (rat) ont été comparées à des cartes obtenues à partir d'acquisitions standard avec petits angles de basculement, elles indiquent une augmentation systématique et toujours significative des ADC par rapport au contrôle sain, pour plusieurs protocoles de mesure. La méthode globale a une meilleure sensibilité que la cartographie standard, en outre elle donne un plus fort contraste d'ADC entre animaux sains et avec emphysème du fait de la possibilité d'employer des valeurs de G plus faibles. Ces outils de mesure de diffusion par IRM et RMN des gaz hyperpolarisés ouvrent des voies prometteuses aussi bien pour la physique de la diffusion que pour les applications médicales.

En neurosciences et en médecine, l'imagerie fonctionnelle de la perfusion cérébrale permet de caractériser les variations régionales du couplage neurovasculaire et de la vasoréactivité aux gaz circulants. Grâce à l'IRM par marquage des spins artériels (ASL), il est possible de mesurer la perfusion de façon quantitative, dynamique et reproductible sans injection de produit de contraste. Ce travail méthodologique a consisté à mettre en place et optimiser une séquence IRM de quantification de la perfusion par ASL pour étudier la vasoréactivité cérébrale. Pour disposer d'une mesure quantitative avec une sensibilité maximale, des simulations numériques et des expériences sur sujets sains ont permis d'optimiser : l'amplitude des impulsions RF, en prenant en compte l'hétérogénéité du champ B1 ; les délais des impulsions d'inversion pour supprimer le signal statique ; la position de la zone de marquage par rapport au champ de transmission du résonateur RF ; l'espacement minimal entre la zone de marquage et la région d'intérêt ; la durée de bolus et le temps d'attente avant l'acquisition. Une méthode originale de caractérisation rapide du bolus de sang marqué en début de chaque expérience a été développée pour permettre un paramétrage optimal de la séquence pour chaque sujet. Ces méthodes ont été utilisées pour caractériser les effets de l'inhalation de mélanges d'oxygène et de carbogène à teneur variable en CO2 sur la perfusion cérébrale chez des sujets sains. En parallèle, les mêmes méthodes de perfusion sont utilisées dans une étude qui vise à caractériser la vasoréactivité cérébrale dans la maladie d'Alzheimer.

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 complexation des ions lanthanides(III) par de nouveaux ligands dont la sphère de coordination oxygénée est montée sur une plateforme à base d'unités sucres ou acides aminés est étudiée. Malgré des masses moléculaires relativement faibles, ces complexes induisent des relaxivités élevées inattendues, en particulier à haut champ.<br />Les ligands ACX et BCX, dérivés acides d'Α- et Β-cyclodextrines modifiées, forment des complexes mono et bimétalliques avec les Ln(III). Les complexes LnACX ou LnBCX ont des affinités similaires à celle de ligands triacides. La structure à l'état solide du complexe bimétallique Lu2ACX montre un enfouissement important des cations à l'intérieur de la cavité. En solution, pour le complexe LnBCX, une seule molécule d'eau est coordonnée au cation, ce qui nous a permis de mettre en évidence une importante contribution de seconde sphère à la relaxivité.<br />L'étude RMN du ligand peptidique issu de la famille des RAFT a montré qu'il coordonne les Ln(III), avec une affinité similaire à celle de ligands naturels dérivés de la calmoduline.Une étude relaxométrique a également mis en évidence une importante contribution de seconde sphère à la relaxivité.<br />Pour mieux comprendre les facteurs moléculaires compliqués affectant la relaxivité, nous avons développé de nouvelles méthodes relaxométriques, basées sur des solutés sondes. Ces méthodes permettent d'obtenir la charge d'un complexe, de faibles constantes de formation, des constantes de transmétallation, ainsi que la vitesse de relaxation électronique.

Ce travail a pour but de proposer une méthode de modélisation et de segmentation du cortex en IRM qui soit adaptée aux utilisations en électroencéphalographie (EEG) et en magnétoencéphalographie (MEG). La complexité du cortex a nécéssité le développement de modèles mathématiques spécifiques. Les contributions de la thèse se situent donc à deux niveaux : au niveau théorique avec le développement d'un modèle discret à la fois volumique et surfacique reposant sur les complexes cellulaires, l'étude de ses propriétés, et le développement d'une méthodologie de segmentation prenant en compte ses caractéristiques ; et au niveau applicatif avec l'utilisation de ce modèle sur des IRM tridimensionnelles pour des applications en EEG et en MEG. L'étude des aspects algorithmiques, imposé par le volume de données, a également constitué une partie importante du travail.

Si l'imagerie par résonance magnétique (IRM) montre la charge lésionnelle qui reflète le caractère inflammatoire de la sclérose en plaques (SEP), il n'existe pas de marqueur permettant de prédire son évolution ou de caractériser les phénomènes de neurodégénérescence. Par conséquent, cette étude a pour objectif premièrement d'identifier des marqueurs de l'intégrité tissulaire par IRM de tenseur de diffusion (DTI), permettant de détecter les dommages tissulaires de type inflammatoire et/ou dégénératif, et deuxièmement de caractériser leur évolution par une analyse longitudinale, chez des patients de différentes formes cliniques. A cette fin, nous avons proposé une première approche régionale des substances blanche (SB) et grise (SG) sous-corticale et une deuxième approche statistique globale analysant par TBSS les variations d'anisotropie de la SB et par VBM la densité de la SG. Les résultats obtenus dans la SB montrent des variations de la fraction d'anisotropie (FA), et des diffusivités radiales et axiales reflétant respectivement une atteinte myélinique et une atteinte axonale alors que la SG présente une augmentation de la FA suggérant une atteinte dendritique neuronale. L'analyse par TBSS et VBM montre des anomalies touchant plutôt les régions sous-corticales chez les patients rémittents qui s'étendent aux régions corticales chez les patients de forme progressive. Longitudinalement, on retrouve essentiellement des changements de FA dans la SB et d'atrophie de la SG chez les patients rémittents. Ces travaux montrent que la DTI constitue une méthode sensible pour une meilleure détection et compréhension des altérations cérébrales et de leur évolution dans la SEP.