En raison de l'augmentation continuelle des coûts en santé, il est profitable de détecter et traiter tôt les cancers afin de diminuer les coûts de traitement à long terme. La problématique s'applique particulièrement au cancer de la prostate, qui constitue 25 % des nouveaux cas de cancer chaque année. Afin de pouvoir détecter avec un niveau de confiance élevé les petites tumeurs durant les premiers stades de développement, l'Imagerie par résonance magnétique (IRM) peut être utilisée en raison de la qualité de son imagerie des tissus mous. Cependant, les IRM offrent un accès limité au patient (diamètre < 70 cm), limitant ainsi les possibilités d'interventions intra-IRM.En combinant la précision et la polyvalence d'un système robotique et la précision de l'imagerie par IRM, il serait donc possible de pouvoir détecter et traiter tôt les petites tumeurs pour augmenter les chances de survie des patients, et ainsi, réduire une partie des coûts en santé. Les interventions visées incluent la biopsie (prélèvement), la cryothérapie (brûlure par le froid), la curiethérapie (dépôt de pastilles émettrices de radiations) et l'ablation thermique par laser. La compatibilité IRM (qui exige le fonctionnement sous un champ magnétique de plus de 7 teslas) et l'espace confiné sont les deux principaux défis de la robotique en IRM, et nécessitent l'implantation de nouveaux types d'actionneurs. Le mémoire présente la conception et la fabrication de muscles pneumatiques de polymère et leur application à un manipulateur robotisé pour le cancer de la prostate. L'intégration des muscles pneumatiques dans des structures de polymère permet de simplifier leur fabrication, en plus d'assurer plus de précision en diminuant les erreurs liées à la fabrication. Une méthode de conception est développée, utilisant un modèle de manipulateur et quatre modèles de muscles. La modélisation des muscles débute par un modèle géométrique et est suivie d'un raffinement géométrique par éléments finis. Les éléments finis servent également à valider l'hypothèse de déformation uniaxiale du muscle qui sert de prémisse au troisième modèle, un modèle 1-D analytique qui prédit les performances du muscle. Enfin, le muscle est modélisé en se basant sur une caractérisation expérimentale. Les muscles pneumatiques, intégrés dans une architecture parallèle, permettent d'améliorer la précision des interventions intra-IRM tout en maintenant un rapport efficacité-coût élevé. Les performances des muscles pneumatiques et du manipulateur sont validées expérimentalement et permettent d'atteindre les requis cliniques de l'application de détection et traitement du cancer de la prostate. Les expériences en laboratoire et en IRM ont en effet permis de démontrer une erreur en boucle fermée inférieure à 0.5 mm, une rigidité adéquate de 0.32 N/mm et une absence d'impact du manipulateur sur la qualité des images d'IRM. Enfin, les performances des muscles pneumatiques intégrés ouvrent la porte à de nouvelles applications et à un changement de paradigme pour la conception de robots binaires précis à faible coût.

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.

Résumé : Imager la vascularisation cérébrale de la manière la plus exacte, précise et rapide possible représente un enjeu important pour plusieurs domaines de recherche. En plus d’aider à mieux comprendre le fonctionnement normal du cerveau, cela peut servir à caractériser diverses pathologies ou à développer de nouveaux traitements. Dans un premier temps, ce mémoire présente l’optimisation d’une technique d’angiographie cérébrale in vivo chez un modèle animal fréquemment utilisé, la souris. La technique emploie une séquence d’imagerie par résonance magnétique (IRM) 3D pondérée en susceptibilité ainsi qu’un agent de contraste, le Resovist. Les paramètres d’acquisition à l’IRM ont été optimisés à l’aide d’images acquises avant l’injection du Resovist. Ces paramètres permettent d’imager le cerveau entier en 41 minutes avec une résolution de 78 × 78 × 104 μm3. L’emploi d’une pondération en susceptibilité offre une excellente sensibilité aux petits vaisseaux (diamètre ≃ 40μm). L’analyse des images permet d’extraire des informations sur la morphologie vasculaire. Dans un second temps, la méthode de l’acquisition compressée (AcqC) a été implémentée dans le but d’accélérer l’acquisition des images angiographiques. La méthode de l’AcqC utilise des hypothèses de compressibilité des images pour diminuer la quantité de données acquise. L’AcqC a jusqu’à présent principalement été développée pour des images réelles (au sens des nombres complexes). Or, les images angiographiques obtenues présentent d’importantes variations de phase en raison de la pondération en susceptibilité. La présence de ces variations diminue d’une part la force des hypothèses de compressibilité habituelles et rend d’autre part l’espace-k moins propice au sous-échantillonnage requis par l’AcqC. En raison de ces deux facteurs, l’AcqC standard s’avère inefficace pour accélérer l’acquisition des images angiographiques acquises. Leur mise en lumière suggère cependant différentes pistes pour améliorer l’AcqC appliquée aux images comportant d’importantes variations de phase. / Abstract : Imaging neurovasculature with highest exactitude, precision and speed is of critical importance for several research fields. Beside providing an insight on normal brain activity, it can help characterize numerous pathologies or develop novel treatments. This thesis presents in its first part the optimization of a cerebral angiographic in vivo technique in a frequently used animal model, the mouse. The technique uses both a 3D magnetic resonance imaging (MRI) susceptibility weighted sequence and a strongly paramagnetic contrast agent, Resovist. MRI acquisition parameters were optimized using images acquired before contrast agent injection. Those parameters allow whole brain vascular imaging of the mouse brain in 41 minutes with a 78 × 78 × 104 μm3 resolution. Susceptibility weighting offers an excellent detection sensitivity for small vessels (diameter ≃ 40μm). Image treatment and analysis allow the extraction of vascular morphological information such as vessel size and vessel density. In the second part of this thesis, an attempt to accelerate angiographic images acquisition using the compressed sensing (CS) method is presented. CS method aims at reducing the acquired data by using compressibility hypothesis on images. Presently, CS is mainly developped for real images (within the meaning of complex numbers). However, the previously obtained angiographic images contain important phase variations due to the susceptibility weighting. First, those variations reduce the strength of the compressibility hypothesis normally used in CS. Second, those same variations make information distribution in k-space less appropriate for the undersampling required by CS. For those reasons, standard CS does not allow significant acceleration of the acquisition process for the presented angiographic technique. Studying those reasons however suggests new ways to increase CS efficiency when applied to images with important phase variations.

L'objectif de ce travail est le déploiement d'un système de segmentation d'images de résonance magnétiques (IRM) sur la plateforme de visualisation "BrainVISA". La segmentation vise à classifier le cerveau en trois régions : la matière blanche, la matière grise et le liquide céphalo-rachidien. Il existe plusieurs algorithmes de segmentation d'images, chacun possédant ses avantages et ses limites d'utilisation. Dans ce travail, nous utilisons deux types d'algorithmes : la FCM (Fuzzy C-Mean) qui étudie l'image dans sa globalité et permet de modéliser l'incertitude et l'imprécision et, la croissance de régions qui tient compte des relations de voisinage entre pixels ; le but étant de tirer partie des avantages de chacun. Les deux méthodes de segmentation sont utilisées de manière coopérative. Les prédicats de la croissance de régions sont adaptés à nos images afin d'améliorer la qualité de l'image segmentée. Une implémentation est alors mise en oeuvre autour d'un système multi-agents (SMA), qui permet d'utiliser l'algorithme de croissance de régions de manière plus efficace. La segmentation est réalisée sur des images réelles.

Cette thèse se consacre au comportement d'interface des matériaux granulaires, et particulièrement au phénomène de localisation des déformations au voisinage d'une paroi. À l'aide d'une géométrie annulaire à vitesse de cisaillement et pression de confinement imposées, on confronte des approches expérimentale et numérique. L'approche expérimentale est composée par des expériences avec des matériaux modèles dans deux appareils de cisaillement simple annulaire (ACSA et mini-ACSA). On relie les mesures globales des contraintes et des variations volumiques aux mesures de déformation du milieu granulaire obtenues par corrélation d'images (ACSA) et par imagerie par résonance magnétique (mini-ACSA). L'approche numérique consiste en des simulations discrètes bidimensionnelles (dynamique moléculaire). On étudie l'influence de la géométrie et de la rugosité des parois dans le comportement des interfaces granulaires. En simulation, on complète l'étude avec l'analyse des effets inertiels.

Nos travaux portent sur l'interprétation d'une scène dont nous possédons un modèle, représentant l'agencement spatial des objets contenus dans cette scène. Dans le cadre d'une segmentation séquentielle permettant de reconnaître les objets les uns après les autres en fonction des étapes antérieures, nous utilisons la connaissance spatiale du modèle pour optimiser la séquence de segmentation à effectuer à partir d'un objet de référence vers un objectif à segmenter. Nous proposons pour cela d'optimiser un chemin dans un graphe représentant les objets de la scène (noeuds) et leurs relations spatiales (arcs). Deux approches sont proposées. La première approche effectue une optimisation à partir de l'information spatiale du modèle uniquement, en évaluant un critère de pertinence de chaque chemin. L'évaluation est effectuée de manière indépendante sur chaque arc dans un premier temps, puis nous proposons une manière de représenter un chemin entier, permettant d'évaluer la pertinence du chemin à partir de cette représentation. La deuxième approche s'intègre dans un processus de segmentation séquentielle, vu comme l'exploration progressive d'une image à partir d'un objet de référence. Nous utilisons une modélisation d'une technique pré-attentionnelle, une carte de saillance, afin de guider le processus de segmentation séquentielle, en intégrant à l'approche structurelle des informations de saillance extraites de l'image à interpréter. Le domaine d'application de ces approches est la segmentation des structures sous-corticales du cerveau dans des images IRM 3D dont certaines présentent des pathologies.

Pour l'évaluation de la fonction rénale, l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) dynamique à rehaussement de contraste est une alternative intéressante à la scintigraphie. Les résultats obtenus doivent cependant être évalués à grande échelle avant son utilisation en pratique clinique. L'exploitation des séquences acquises demande un recalage de la série d'images et la segmentation des structures internes du rein. Notre objectif est de fournir un outil fiable et simple à utiliser pour automatiser en partie ces deux opérations. Des méthodes statistiques de recalage utilisant l'information mutuelle sont testées sur des données réelles. La segmentation du cortex, de la médullaire et des cavités est réalisée en classant les voxels rénaux selon leurs courbes temps-intensité. Une stratégie de classification en deux étapes est proposée. Des classificateurs sont d'abord construits grâce à la coupe rénale principale en utilisant deux algorithmes de quantification vectorielle (K-moyennes et Growing Neural Gas). Ils sont validés sur données simulées, puis réelles, en évaluant des critères de similarité entre une segmentation manuelle de référence et des segmentations fonctionnelles ou une seconde segmentation manuelle. Les voxels des autres coupes sont ensuite triés avec le classificateur optimum pour la coupe principale. La théorie de la généralisation permet de borner l'erreur de classification faite lors de cette extension. La méthode proposée procure les avantages suivants par rapport à une segmentation manuelle : gain de temps important, intervention de l'opérateur limitée et aisée, bonne robustesse due à l'utilisation de toute la séquence et bonne reproductibilité.

L'élaboration de matériaux cimentaires aux propriétés extrêmes en termes de tenue mécanique, de durabilité, voire de perméabilité, nécessite la compréhension précise du développement de leur structure poreuse. L'aspect non destructif de l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) en fait une méthode de choix pour l'étude de la distribution et des transferts hydriques au sein de ces matériaux. Cependant, le caractère multi-échelle de ce matériau et la présence d'impuretés paramagnétiques requièrent des performances particulières en termes d'intensité de grandient de champ magnétique et de rapidité d'acquisition. C'est dans cet objectif que nous avons développé deux techniques IRM complémentaires. Le STRAF1 permet de suivre, au laboratoire, l'effet des conditions de température et d'humidité sur la distribution de l'eau à travers le matériau mais également sur l'évolution de sa structure poreuse, élément décisif pour les performances de ce dernier. La NMR-MOUSE TM, version bas champ mais portative de l'IRM, permet un suivi du séchage des matériaux cimentaires directement sur site, ce qui en fait un outil de choix dans un contexte industriel. Enfin, la mise au point d'une méthode d'analyse multi-dimensionnelle dans les milieux poreux nous a permis de mettre en évidence les constantes de temps impliquées dans l'échange de matière entre les différents types de pores présents dans le matériau, ce qui permet d'obtenir des informations sur sa porosité et la connectivité de ses pores.

L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est à l'heure actuelle la technique de visualisation préférentiellement choisie par les chirurgiens. Cependant, cette technique ne permet pas de visualiser des prothèses à base de polymères, qu'elles soient dégradables ou non. Afin de mieux évaluer la fixation, l'intégration tissulaire et le devenir de l'implantation de ces prothèses polymères, il serait souhaitable qu'elles soient visibles par IRM. Ce travail présente donc la conception et la synthèse de copolymères biocompatibles visibles par IRM destinés à être introduit dans la composition de prothèses pour applications temporaires ou permanentes. En utilisant la modification chimique en position alpha de fonction ester décrite précédemment par notre laboratoire, nous avons greffé de façon covalente et par une liaison stable un chélate du gadolinium (le DTPA) sur la chaîne de la PCL (dégradable) et du PAM (non dégradable). Le gadolinium a ensuite été complexé par le DTPA greffé préalablement. Ces nouveaux copolymères ont été caractérisés par RMN et CES, et le taux de gadolinium évalué par ICP-MS. Des images d'IRM ont été réalisées in vitro et in vivo sur des appareils contenant des aimants de 7 Teslas (recherche) et 1,5 Teslas (clinique). Ces images montrent qu'un treillis en polypropylène enduit de copolymère greffé par un complexe DTPA-gadolinium est visible par IRM, ce qui laisse entrevoir un large champ d'applications pour ce type de composé. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is currently the visualization technique that surgeons preferentially choose. However this technique does not allow the visualization of polymer-based prosthesis, whether they are degradable or not. In order to best assess adhesion, tissue integration and the future of implantation of these polymer prosthesis, it would be advisable to make them visible in IRM. This work presents the conception and the synthesis of biocompatible copolymers visible in IRM meant to be implanted under the form of prosthesis for temporary or permanent applications. Using the chemical modification in alpha position of ester function, previously described by our laboratory, we grafted a gadolinium chelate, in a covalent way and forming a stable bond on PCL (degradable) and PMA (non degradable) backbone. Gadolinium was then complexed by DTPA previously grafted. Those new copolymers were characterized with NMR and SEC, and the rate of gadolinium was assessed by ICP-MS. MRI images were taken in vitro and in vivo on devices containing 7-Teslas (research) and 1,5 Teslas (clinical) magnets. These images show a poly(propylene) mesh coated with grafted copolymer containing complex gadolinium which is visible in MRI. It will consequently improve the prospects of applications for this kind of MRI-visible compound.

Depuis le début des années 1990, l'imagerie de l'oreille et de la base du crâne s'est considérablement développée. Des pathologies récentes, mal connues ont été explorées en imagerie, en particulier en IRM. L'objectif de mes travaux de recherche, a été de développer des séquences Haute Résolution (HR) sur l'oreille et la base du crâne permettant une analyse sémiologique fine et une caractérisation de ces différentes pathologies dans l’objectif d’une prise en charge plus adaptée. Le début de mes travaux a été orienté vers le conduit auditif interne. Mon but initial a été de mettre point et de développer une séquence 3 HR T2 sur l'oreille interne et le conduit auditif interne ainsi qu’une séquence spin écho T1 HR en coupes fines. Ces séquences ont permis l’analyse précise de l'extension des schwannomes vestibulaires dans le fond du conduit auditif interne. Cette étude a permis de dégager des critères intéressants en imagerie dans le choix thérapeutique (chirurgie versus radio-chirurgie) et dans le choix de la voie d'abord chirurgicale. Mon travail s’est également orienté vers le développement des séquences de diffusion en base du crâne, le but était de développer une séquence de diffusion HR dans le suivi des cholestéatomes opérés de l'oreille moyenne. Les récidives de cholestéatome sont fréquentes et les oreilles opérées sont parfois difficiles à analyser en TDM en cas de comblement de la cavité opératoire. Des séquences IRM spécifiques sont alors nécessaires pour différencier une récidive de cholestéatome, du tissu fibro-inflammatoire fréquemment présent. Plusieurs auteurs avaient montré l'intérêt des séquences de diffusion du fait de coefficients de diffusion très différents entre le tissu fibro-inflammatoire et le cholestéatome. Cependant ces premières séquences de diffusion EPI basse résolution, étaient peu adaptées au rocher et la base du crâne. Notre travail a été de mettre au point et de développer une séquence de diffusion HR Turbo Spin écho adaptée à l'oreille et à la base du crâne permettant le dépistage des récidives de cholestéatome et de valider cette séquence par comparaison au gadolinium tardif et à la chirurgie. Mon travail sur la base du crâne haute résolution m'a également permis de développer des séquences Spin Echo T1 et 3D Echo de gradient T1 en Haute Résolution avec saturation de la graisse permettant une analyse fine des extensions tumorales périnerveuses à la base du crâne principalement dans les cancers du nasopharynx. Ces travaux ont permis de définir les voies d'extension précises de ces tumeurs afin de ne pas sous-évaluer le stade initial de ces tumeurs dans la classification TNM de l'UICC. Ces travaux associés à ceux d'autres chercheurs ont permis de mettre à jour récemment cette classification UICC des tumeurs du nasopharynx. Une de mes principales voies de recherche a été le dépistage, l'analyse et la description des pathologies de l’oreille interne. Une étude longitudinale menée de 1998 à 2008 incluant toutes les pathologies intra-labyrinthiques découvertes au CHU de Lille, a permis de définir et de caractériser trois grands types de pathologies distinctes: les schwannomes intra-labyrinthiques, les labyrinthites, les hémorragies intra-labyrinthiques. Ces pathologies nécessitent des prises en charge différentes. Nous avons pu également définir des critères pronostics en particulier des critères de gravité nécessitant une prise en charge rapide adaptée. Dans le cadre ce travail de recherche sur les pathologies de l’oreille interne, nous nous sommes également intéressés au Syndrome de déhiscence du canal semi-circulaire supérieur, syndrome clinique récemment décrit par Minor en 1998. [...] / Since the beginning of the 1990s, the imaging of the ear and skull base has grown considerably. Recently, poorly known pathologies have been investigated by imaging, in particular with MRI. The objective of my research works was to develop high resolution (HR) sequences dedicated to the ear and the skull base, allowing a fine semiological analysis and a characterization of these various pathologies. The purpose is to contribute to a more appropriate medical management. The beginning of my work was directed towards the internal auditory canal. My initial purpose was to determine and develop a three-dimensional HR T2 sequence for the inner ear and the internal auditory canal as well as a spin echo T1 HR with thin slices. These sequences allowed the precise analysis of the extension of vestibular schwannomas in the fundus of the internal auditory canal. This study has indentified a relevant criteria for the therapeutic choice (surgery versus radiosurgery) and for the choice of the surgical approach. My work has also aimed to the development of diffusion sequences dedicated to the skull base. The purpose was to develop a HR diffusion sequences in the follow-up of operated cholesteatoma of the middle ear. Recurrence of cholesteatoma is frequent and the operated ears are sometimes difficult to analyze on CT, particularly when the postoperative cavity is completely filled. Specific MRI sequences are then necessary to differentiate a recurrent cholesteatoma from fibro-inflammatory tissue. The fact that the diffusion coefficient between fibro-inflammatory tissue and cholesteatoma is different has been shown by several authors. However these early sequences of echoplanar imaging (EPI) diffusion with low resolution were poorly suited to the temporal bone and the skull base. Our work was to finalize and develop a sequence of turbo spin echo HR diffusion, adapted to the ear and skull base for the screening of recurrent cholesteatoma and validate this sequence by comparison with delayed post gadolinium spin echo T1 sequence and surgery. My work on the HR imaging of the skull base also enabled me to develop some other sequences: spin echo T1 and 3D HR gradient echo T1 with fat saturation allowing for the detailed analysis of perineural spread to the skull base, mainly in nasopharyngeal cancers. This work helped to define the precise pathways of extension of these tumours in order not to underestimate the initial stage of these tumours in the TNM UICC classification. This work together with those of other researchers allowed the recent update of the UICC classification in nasopharyngeal tumours. One of my main research topics has been the screening, analysis and description of the pathologies of the inner ear. A longitudinal study from 1998 to 2008, including all the intralabyrinthine pathologies discovered to the University Center of Lille, allowed to define and characterize three major different pathologies: intralabyrinthine schwannoma, labyrinthitis and intralabyrinthine hemorrhage. These pathologies require different treatments. We were also able to define prognostic criteria in particular criteria of severity requiring a rapid and adapted medical management. Within the framework of my research on the pathologies of the inner ear, we were also interested in the syndrome of dehiscence of the superior semicircular canal. This clinical syndrome was recently described by Minor in 1998. A retrospective study of the cases discovered between 2007 and 2009, included a HR TDM of the temporal bone and a HR MRI (in particular imaging fusion between the 3D HR time-of-flight (TOF) and the 3D HR T2 sequences), enabled to identify a variant of the classic form of dehiscence. [...]