L’imagerie de filtrage en polarisation est une technique populaire largement utilisée en optique pour le biomédical pour le sondage des tissus superficiels, pour le sondage de volumes plus profonds, mais aussi pour l’examen sélectif de volumes sub-surfaciques. Du fait de l’effet de ’mémoire de polarisation’ de la lumière polarisée, l’imagerie de filtrage en polarisation elliptique est sensible á des épaisseurs de tissus différentes, depuis la surface, accessible avec la polarisation linéaire, jusqu’á une épaisseur critique accessible par la polarisation circulaire. Nous nous concentrons sur des méthodes utilisant des combinaisons de polarisations elliptiques afin de sélectionner la portion de lumière ayant maintenu son état de polarisation et éliminer le fond pour un meilleur contraste avec de plus une information sur la profondeur. Avec ce type de filtrage, il est possible d’accéder á des profondeurs de tissus biologiques bien définies selon l’ellipticité de polarisation. De plus, ces travaux ont permis d’étendre la méthode á la spectroscopie pour quantifier la concentration en chromophores á une profondeur spécifique. Les méthodes développées ont été validées in vivo á l’aide d’expériences réalisées sur des anomalies de la peau et aussi sur le cortex exposé d’un rat anesthésié. Enfin, une étude préliminaire a été réalisée pour examiner la possibilité d’étendre la méthode á l’imagerie de 'speckle'. Des tests préliminaires réalises sur fantômes montrent l’influence de l’ellipticité de polarisation sur la formation et le comportement du speckle, ce qui offre la possibilité d’accéder á des informations sur le flux sanguin á des profondeurs spécifiques dans les tissus. / Polarization gating imaging is a popular and widely used imaging technique in biomedical optics to sense tissues, deeper volumes, and also selectively probe sub-superficial volumes. Due to the ‘polarization memory’ effect of polarized light, elliptical polarization gating allows access to tissue layers between those of accessible by linear or circular polarizations. As opposed to the conventional linearly polarized illumination, we focus on polarization gating methods that combine the use of elliptically polarized light to select polarization-maintaining photons and eliminate the background while providing superior contrast and depth information. With gating, it has also become possible to access user-defined depths (dependent on optical properties) in biological tissues with the use of images at different ellipticities. Furthermore, this investigation allowed the application of polarization gating in spectroscopy to selectively quantify the concentration of tissue chromophores at user-desired depths. Polarization gating methods have been validated and demonstrated with in vivo experiments on abnormalities of human skin (nevus, burn scar) and also on the exposed cortex of an anaesthetized rat. Finally, as a first step towards the use of coherent illumination, adding the concept of polarimetry to laser-speckle imaging was demonstrated. Preliminary tests on phantoms (solid and liquid) suggested evidence of the influence of polarization ellipticity on the formation and behaviour of speckles, which could pave the way for more insight in the study of blood flow in tissues.

L’architecture des cellules myocardiques en trois dimensions du cœur normal et malformé est un sujet de recherche initié depuis plusieurs siècles, mais il existe encore des questions non résolues. Cette thèse apporte de nouveaux éléments de réponse grâce à l'utilisation d'une technique originale d'Imagerie en Lumière Polarisée et l'étude d'une période précise du développement des tissus cardiaques, celle de l'adaptation postnatale. Dans cette thèse, nous introduisons deux nouvelles représentations de l'information : un paramètre d'Isotropie régional et la dissection virtuelle à la base de représentation en LIC-3D qui permet l'exploration à volonté des masse ventriculaires selon des angles de coupes arbitraires.Le remodelage ventriculaire physiologique postnatal (étudié sur 16 cœurs) s'accompagne globalement d'une diminution de l'isotropie régionale et localement par l'apparition de zones fortement isotropes dont la topologie est identique aux plans de clivage décrits dans le modèle de Torrent - Guasp. Cette étude apporte pour la première fois des éléments complémentaires pour la description des composantes profondes de la voie de sortie du ventricule droit. L'architecture 3D du septum de sortie, du repli ventriculo-infundibulaire et des « fibres » latitudinales de la paroi de deux ventricules est documentée et précisée dans dix cœurs normaux. Dans une étude de 11 cœurs malformés représentant 7 pathologies différentes, 3 patrons topologiques ont été décrits : 1) le patron normal : Alignement du repli ventriculo-infundibulaire et du septum de sortie, dans les malformations de type de communication interventriculaire ou canal atrio-ventriculaire ; 2) le patron parallèle : le repli ventriculo-infundibulaire et septum de sortie sont parallèles dans la Tétralogie de Fallot ; 3) le patron en V : le repli ventriculo-infundibulaire dans les cœurs avec discontinuité musculaire mitro-artérielle.En conclusion, nous apportons des nouveaux éléments de compréhension de la mise en place de l'architecture du myocarde en situation normale et pathologique. Cependant, ces données nouvelles devront être consolidées statistiquement sur un plus grand nombre de cas. Elle devront être confrontées aux données physiologiques observables grâce au méthodes d'imagerie fonctionnelle. / The 3D architecture of the ventricular mass is poorly known, although in vivo imaging techniques show the physiological inhomogeneity of transmural myocardial mechanics. Polarized light imaging makes it possible to quantitatively analyse the myocardial cell orientation to study the regional isotropy of myosin filaments (a new parameter) and to provide virtual dissection (a new tool) of the myocardial ventricular mesh. This deep inside is complementary of superficial anatomical description.Sixteen normal hearts of human term stillbirths, newborns and infants were studied. During the first months of postnatal age, the median regional isotropy values decreased in the ventricular three-dimensional mesh. There was a progressive appearance of a particularly inhomogeneous secondary arrangement of myocardial cells with alternation of thick low-RI and thin high-RI areas. The topology of Torrent-Guasp' cleavage plans and intercalated high RI areas were identical. The outlet septum was constantly identified.Eleven malformed hearts were studied. The deep components of the ventriculo-infundibular fold, the outlet septum and the latitudinal fibres of the ventricular walls were described and 3 different patterns could be portrayed : 1) a normal aligned pattern ; 2) a parallel pattern of the ventriculo-infundibular fold and the outlet septum in Tetralogy of Fallot ; 3) a V pattern of the ventriculo-infundibular fold in heart with mitro-arterial muscular discontinuity.To conclude, we uncover new elements to understand the onset of the myocardial architecture in normal and pathological hearts. However, this new data need to be statistically consolidated by studying a greater numbers of cases. As a perspective, these observations will be confronted to physiological data provided by functional imaging technique.

Le sujet porte essentiellement sur la caractérisation du PolyEthylène Haute Densité (PEHD) à l'échelle de la microstructure au cours de sollicitations mécaniques. Une première partie présente une stratégie de modélisation du comportement du polymère qui se veut à la fois représentative des observations mécaniques macroscopiques et surtout adaptée à une métrologie fine de ses paramètres constitutifs. L'accent se porte ensuite sur des techniques d'investigation à la mésoéchelle (ordre du micromètre) par technique in-situ de transport de lumière incohérente polarisée (IPSLT) et par microtomographie X réalisée sous rayonnement synchrotron. L'objectif est de comprendre les phénomènes qui interviennent à toutes ces échelles pendant les phases successives de transformation de la matière, qui passe d'un état homogène quasi-isotrope constitué de deux phases, cristalline et amorphe, vers une mésostructure dite fibrillaire, fortement anisotrope. Entre autres constats majeurs, nous montrons que le polymère semi-cristallin étudié ne présente pas de phénomène de cavitation et que contrairement à la majorité des résultats publiés dans la littérature, le blanchiment observé ne peut donc pas lui être attribué. Ce résultat montre que les processus de déformation mécanique mis en jeu dans l'élasto-visco-plasticité avec durcissement hyperélastique, peuvent tout à fait se concevoir sans mécanismes prépondérants de création de porosité. Il ouvre donc la voie à de nouveaux scénarios pour expliquer les évolutions de microstructure observées en lien avec la déformation / This thesis mainly concerns the characterization of High Density Polyethylene (HDPE) at the microscopic scale when mechanically solicited. A first part presents a modeling strategy of the polymer behavior that is representative of the observations at the macroscopic scale and adapted to a good metrology of its constitutive parameters. Then, this work focus on investigation techniques that probe the mesoscopic scale (micrometer scale) through a technique (in-situ) based on the transport of incoherent and polarized light (IPSLT) ; and synchrotron X-ray microtomography. The aim is to understand the phenomena that take place at this scale during the successive phases of matter transformation (which switch from a homogeneous biphasic quasi-isotropic state to a very anisotropic fibrillar mesostructure). We show that this polymer does not exhibit any cavitation phenomena and that contrary to most of the results published in the literature, whitening which can be observed macroscopically is not due to the presence of cavities. This result suggests that the mechanical deformation processes put at stake in elastoviscoplasticity with hyperelastic hardening can take place without paramount porosity mechanisms and paves the way for new scenarios that could explain the microstructure evolution as function of strain

Les expériences de laboratoire ont montré que la photo-irradiation ultraviolette d'analogues de glaces astrophysiques suivie de leur réchauffement à température ambiante mène à la formation de résidus organiques réfractaires. Ces résidus, solubles dans l'eau, consistent en un riche mélange de composés organiques incluant entre autres des acides aminés, molécules potentiellement importantes pour la chimie prébiotique. Ces résidus sont considérés comme des analogues de la matière organique réfractaire que l'on pense être synthétisée sur les grains de poussière dans les nuages moléculaires et/ou dans les disques protoplanétaires, produit de l'évolution des glaces, et qui pourra être accrétée plus tard en comètes ou en astéroïdes et finalement délivrée sur la Terre primitive. Ainsi, l'étude de ces analogues, produits dans des conditions astrophysiques pertinentes, représente un outil efficace pour explorer les processus à l'origine de la formation des molécules organiques complexes dans le Système Solaire et en particulier la possible introduction d'excès énantiomériques dans les molécules chirales.Ce travail de thèse est consacré à l'étude de ces résidus organiques, leur caractérisation et les applications astrophysiques de ces résultats. Nous avons utilisé différentes techniques d'analyse comme la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC MS, classique et multidimensionnelle), la spectrométrie de masse par résonnance cyclotronique ionique à transformée de Fourier (FT ICR MS) ou encore la spectroscopie infrarouge. Nous avons mesuré les excès énantiomériques induits dans cinq acides aminés par irradiation de nos analogues avec de la lumière UV polarisée circulairement (UV CPL) et insérons nos résultats dans le cadre d'un scénario astrophysique cohérent pour expliquer l'origine des excès énantiomériques observés dans les acides aminés météoritiques. Nous avons étudié le contenu en acides aminés de la météorite de "Paris" et montré des similarités avec la distribution en acides aminés de nos résidus organiques. Nous avons également produit des analogues plus réalistes de grains interstellaires en incluant une surface silicatée, afin de tester l’effet potentiel de cette surface sur la formation et la nature des résidus organiques. Enfin, nous effectuons une discussion générale à propos de la pertinence de ces résultats dans le contexte astrophysique et soulignons le possible lien entre astrochimie et chimie prébiotique. / Laboratory experiments have shown that ultraviolet photo-irradiation of astrophysical ice analogs and their following warm-up until room temperature lead to the formation of refractory organic residues. These residues consist of rich mixtures of organic compounds, including amino acids, which have a potential importance for prebiotic chemistry. They are considered as analogs of the organic refractory materials that are thought to be synthesized on dust grains in molecular clouds and/or in protoplanetary disks, as a product of ices evolution, and that could be later accreted into comets and asteroids and eventually be delivered to the early Earth. Hence, the study of these analogs, produced under astrophysically relevant conditions, represents a valid tool to investigate the processes at work for the origin of complex organic molecules in the Solar System and in particular the possible introduction of enantiomeric excesses in chiral molecules. This PhD work is devoted to the study of these laboratory organic residues, their characterization and the astrophysical applications of the results. We used different analytical techniques such as gas chromatography mass spectrometry (GC MS, classical and multidimensional), Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FT ICR MS), and infrared spectroscopy. We measured the enantiomeric excesses induced in five chiral amino acids by UV circularly polarized light (UV CPL) irradiation of our analogs and insert our result in a coherent astrophysical scenario for the origin of the enantiomeric excesses observed in meteoritic amino acids. We studied the amino acid content of the Paris meteorite and evidence some similarities with the distribution of the amino acids in our organic residues. We also produced more realistic analogs of interstellar grains, including a silicate surface, to test the potential effect of such a surface on the formation and nature of organic residues. Finally, we discuss the significance of these results in the astrophysical context and the possible relationship between astrochemistry and prebiotic chemistry.

L'imagerie par résonance magnétique de diffusion (l'IRMd) est actuellement la seule technique non-invasive pour étudier l'architecture tridimensionnelle des fibres myocardiques du cœur humain à la fois ex vivo et in vivo. Cependant, il est difficile de savoir comment les caractéristiques de diffusion calculées à partir des images de diffusion reflètent les propriétés des microstructures du myocarde à cause de l'absence de la vérité-terrain sans parler de l'influence de divers facteurs tels que la résolution spatiale, le bruit et les artéfacts. L'objectif principal de cette thèse est donc de développer des simulateurs de l'IRM de diffusion basés sur des modèles réalistes afin de simuler, en intégrant différentes modalités d'imagerie, les images pondérées en diffusion des fibres myocardiques à la fois ex vivo et in vivo, et de proposer un outil générique permettant d'évaluer la qualité de l'imagerie et les algorithmes de traitement d'images. Pour atteindre cet objectif, le présent travail se focalise sur quatre parties principales. La première partie concerne la formulation de la théorie de simulation IRMd pour la génération d'images de diffusion et pour les applications sur les modèles simples de fibres cardiaques chez l'homme, et essaie de comprendre la relation sous-jacente entre les propriétés mesurées de la diffusion et les caractéristiques à la fois physiques et structurelles des fibres cardiaques. La seconde partie porte sur la simulation des images de résonance magnétique de diffusion à différentes échelles en s'appuyant sur des données du cœur humain issues de l'imagerie par lumière polarisée. En comparant les propriétés de diffusion à différentes échelles, la relation entre la variation de la microstructure et les propriétés de diffusion observée à l'échelle macroscopique est étudiée. La troisième partie consacre à l'analyse de l'influence des paramètres d'imagerie sur les propriétés de diffusion en utilisant une théorie de simulation améliorée. La dernière partie a pour objectif de modéliser la structure des fibres cardiaques in vivo et de simuler les images de diffusion correspondantes en combinant la structure des fibres cardiaques et le mouvement cardiaque connu a priori. Les simulateurs proposés nous fournissent un outil générique pour générer des images de diffusion simulées qui peuvent être utilisées pour évaluer les algorithmes de traitement d'images, pour optimiser le choix des paramètres d'IRM pour les fibres cardiaque aussi bien ex vivo que in vivo, et pour étudier la relation entre la structure de fibres microscopique et les propriétés de diffusion macroscopiques.

Le dichroïsme circulaire de photoélectrons (PECD) se manifeste par une intense asymétrie avant/arrière dans la distribution angulaire de photoélectrons selon l’axe des photons, lors de la photoionisation d’un énantiomère pur de molécule chirale en phase gazeuse par un rayonnement polarisé circulairement. Cette thèse est consacrée à l’étude de ce phénomène, avec le synchrotron de la ligne DESIRS, sur différents systèmes chiraux allant de molécules libres (composés bromés, alanine) aux agrégats de glycidol et aux complexes formés avec l’eau. Pour ce faire, des mesures expérimentales menées à l’aide du spectromètre double imageur à coïncidence électron/ion DELICIOUS 3 ont été couplées à des calculs théoriques (CMS-Xα). Le chapitre 1 introduit les concepts fondamentaux nécessaires à l’étude de la chiralité en physique et le chapitre 2 présente les méthodes expérimentales et théoriques mises en œuvre. Le chapitre 3 détaille les résultats obtenus sur des composés chiraux halogénés : l’acide bromo-propionique (BPA) et les isomères 1,3- et 1,4-bromo-phényléthylamine (BrPhEtA). La sensibilité du PECD à l’isomérie, de même que le rôle de la localisation de l’orbitale initiale par rapport au centre chiral sont au cœur de cette étude. Le PECD du plus simple acide aminé chiral protéique, l’alanine, produit par chauffage résistif et par thermo-désorption d’aérosol, est présenté au chapitre 4 avec une étude conformationnelle selon la température conduisant à une distribution plausible des conformères. Ces résultats sont ensuite discutés dans le contexte de l’homochiralité de la vie (i.e. le fait que les acides aminés sont tous de type L dans la biosphère), le PECD étant un processus photophysique asymétrique pouvant induire un enrichissement énantiomérique. Le chapitre 5 s’intéresse au PECD sur des systèmes plus complexes : les agrégats de glycidol et les complexes de glycidol et d’eau. Une simple sélection en masse permet de mettre en évidence un effet spectaculaire de l’agrégation sur le PECD observé. DELICIOUS 3 permet ensuite d’éliminer des processus en cascade par une sélection en taille des neutres natifs. / Photoelectron Circular Dichroism (PECD) is observed as a forward/backward asymmetry, with respect to the photon axis, of the photoelectron angular distributions resulting from the circularly polarized light-induced photoionization of gas phase pure enantiomers of chiral species. This thesis is devoted to the study, with the synchrotron of the DESIRS beamline, of this phenomenon on different chiral systems from free molecules (bromine compounds, alanine) to glycidol clusters and water-glycidol complexes. Chapter 1 introduces the fundamental concepts required for the study of chirality in physics and chapter 2 presents the experimental and theoretical methods which have been used. Chapter 3 gives details concerning the results on the halogenated chiral compounds: bromopropionic acid (BPA) and 1,3- and 1,4-bromo-phenylethylamine isomers (BrPhEtA). The sensitivity of PECD to isomerism as well as the role of the localization of the initial orbital of the outgoing electron with respect to the chiral center is at the core of this study. The PECD of the simplest proteic chiral amino acid, alanine, produced by resistive heating and thermodesorption of an aerosol, is introduced in chapter 4 with a conformational study depending on temperature, leading to a plausible conformer distribution. These results are then discussed in the context of homochirality of life (i.e. the fact that only L-amino acids are found in the biosphere) as PECD is an asymmetric photophysical processes which can induce an enantiomeric enrichment. Chapter 5 is focused on PECD in systems of greater complexity: glycidol clusters and water-glycidol complexes. A simple mass selection enables to unravel a spectacular clustering effect on the observed PECD and the use of DELICIOUS 3 enables then to remove any cascading processes thanks to a size selection of nascent species.

Les travaux développés dans ce manuscrit de thèse concernent la proposition et la mise au point d’une nouvelle architecture optique basée sur la modulation de cohérence (MC) d’une source à spectre large dédiée aux calculs arithmétiques et au traitement des signaux. La modulation de cohérence de lumière est une technique particulière de codage optique qui autorise, entre autres, le multiplexage des signaux à travers une seule porteuse. Les signaux à traiter sont codés en MC par le biais de paires modulateur de lumière/lame de phase placées en série et éclairées par un seul faisceau de lumière polarisée. Cette technique est basée sur l’introduction d’un retard optique supérieur à la longueur de cohérence de la source utilisée. La validation expérimentale de l’approche proposée pour la réalisation d’opérations arithmétiques, telles que la somme et la soustraction, a été effectuée par le biais de signaux temporels. Différentes formes et fréquences des signaux ont été testées et ont parfaitement validé l’approche. L’impact du cross-talk des signaux et de la divergence du faisceau gaussien sur la qualité des opérations effectuées a été étudié. Ces effets se traduisent par un bruit de modulation d’intensité affectant le résultat des opérations effectuées. Dans ce travail, nous avons proposé des solutions permettant de minimiser son impact. L’originalité de la technique proposée est qu’elle permet la réalisation d’opérations multiples entre plusieurs signaux. Des tests ont été réalisés sur des images à deux et plusieurs niveaux de gris. Les résultats obtenus ont été évalués par les figures de mérite incluant le rapport signal sur bruit (SNR, signal to noise ratio), le rapport signal/bruit crête à crête (PSNR, peak signal to noise ratio) et l’erreur quadratique moyenne (MSE, mean squared error). Enfin, nous avons appliqué la technique à la cryptographie par contenu. Nous avons démontré la performance et la robustesse de la technique. Comme perspectives de ce travail, nous envisageons exploiter d’avantage la technique dans le domaine de la cryptographie (ie: utilisation d’une phase aléatoire pour le codage des images). De plus, une extension de l’étude à la compression des images sera utile. Une autre perspective de ce travail de recherche est l’étude de l’impact de l’incohérence spatiale sur le codage et le décodage des signaux / In this thesis, we study and developed the use of coherence multiplexing (also called path-difference, by analogy with WDM optical communications) to achieve simultaneous coding and decoding of analogue signals. The coherence modulation of light consists in encoding a signal on a light beam as an optical path-difference larger than its coherence length. This opens the way to the use of broadband sources in systems that thought to be restricted to quasi-monochromatic light. The different signals to be processed are encoded by using an Electro-optic Modulator and a birefringent plate placed between two polarizers. First, we have shown how the coherence multiplexing process can be exploited to achieve parallel real-time all optical signal addition and subtraction. Then, we have studied the impact of the crosstalk, due to the imperfection of the opto-geometrical parameters of the elements in the architecture, in the quality of the obtained results. The second part of the work consists of the validation of the technique to image signals. Thus, we have tested both image with binary and several gray levels. Also, we have confirmed that the method can be used for simple and multiplex encoding module. After that, we have evaluated the performance of the processor as a function of the continuous optical path-difference ratio in terms of Signal to Noise Ratio (SNR), Mean Square Error (MSE) and Peak to peak Signal to Noise Ratio (PSNR). Finally, we have tested the coherence multiplexing method to the encryption method based on merging together multiple-images. Therefore, we have evaluated the performance and the robustness of the method

La plupart des maladies cardio-vasculaires sont étroitement liées à l’architecture 3D des faisceaux de cardiomyocytes du myocarde humain. Connaitre en détail cette architecture permet de lever un verrou scientifique sur l’organisation spatiale complexe des faisceaux de cardiomyocytes, et offre des pistes pour trouver des solutions pertinentes permettant de guérir ces maladies. A cause de la nature biréfringente des filaments de myosine qui se trouvent dans les cellules cardiomyocyte, l’Imagerie en Lumière Polarisée (ILP) se révèle comme la seule méthode existante permettant d’étudier en détail, l’architecture et l’orientation des faisceaux de cardiomyocytes au sein de la masse ventriculaire. Les filaments de myosine se comportent comme des cristaux uni-axiaux biréfringents, ce qui permet de les modéliser comme les cristaux uni-axiaux biréfringents. L’ILP exploite les propriétés vibratoires de la lumière car l’interaction photonique et atomique entre la lumière et la matière permet de révéler l’organisation structurelle et l’orientation 3D des cardiomyocytes. Le présent travail se base sur la modélisation des différents comportements de la lumière après avoir traversé des faisceaux de cardiomyocytes. Ainsi, un volume 100×100×500 µm3 a été décomposé en plusieurs éléments cubiques qui représentent l'équivalent de l'intersection des cellules de diamètre de 20 µm chacune. Le volume a été étudié dans différentes conditions imitant l’organisation 3D des cardiomyocytes dans différentes régions du myocarde. Les résultats montrent que le comportement du volume change suivant l’arrangement spatial des cardiomyocytes à l’intérieur du volume. Grâce à un modèle analytique développé à l’aide des simulations, il a été possible de connaitre en tout point, l’orientation 3D des cardiomyocytes dans tout le volume. Ce modèle a été implémenté dans un greffon logiciel. Puis, il a été validé avec les piliers des valves auriculo-ventriculaire en comparant les courbes obtenues en simulation numérique à celles obtenues dans la phase expérimentale. De plus, il a été possible de mesurer l’orientation 3D des faisceaux de cardiomyocytes à l’intérieur du pilier. Après cette validation, le modèle a été utilisé sur un cœur humain (sain) en entier. Puis, nous avons extrait les cartographies des orientations 3D (angle azimut, angle d’élévation) des cardiomyocytes, ainsi que la cartographie des niveaux d’homogénéité du myocarde en entier. Pour une confrontation qualitative des mesures de l’orientation 3D obtenues en ILP avec celles en IRM, un cœur humain sain d’un enfant de 14 mois a été prélevé lors de l’autopsie, fixé dans du formol, puis imagé en entier par IRM puis en ILP. Malgré la faible résolution des images en IRM, les résultats obtenus montrent que les mesures de l’orientation 3D des cardiomyocytes issues de ces deux méthodes d’imageries se révèlent quasiment identiques. / Most cardiovascular diseases are closely linked to the 3D cardiomyocytes bundles of the human myocardium. Knowing in detail this architecture allows us to overcome a scientific bottleneck on the complex spatial organization of cardiomyocytes, and offers ways to find appropriate solutions to treat these diseases. The goal of present thesis is then to develop methods and techniques that allow gaining insights into the geometric arrangement of cardiomyocytes or cardiomyocytes bundles in the myocardium. Due to the birefringent nature of myosin filaments that are found in myocardial cells, the Polarized Light Imaging (PLI) appears as the only existing method for studying in detail the architecture and cardiomyocytes bundle orientation in ventricular mass. Myosin filaments react as uniaxial birefringent crystal; thereby it has been modeled as the uniaxial birefringent crystal. The PLI uses the vibration properties of light; the photonic and atomic interaction between light and matter can reveal the structural organization and the 3D cardiomyocytes orientation of the myocardium. The present work is based on modeling the behavior of the light after passing through a cardiomyocytes bundle. Thus, a volume 100 × 100 × 500 μm3 has been decomposed in a number of cubic elements which are equivalent to cardiac cells of diameter of 20 microns. The volume was studied under different conditions to emulate the organization of cardiomyocytes in different regions in human myocardium: isotropic region, heterogeneous region, region with cardiomyocytes bundle crossing. The results showed that the behavior of the volume changes according to the spatial arrangement of cardiomyocytes within the volume. Through an analytical model developed using simulation, it has been possible to know the 3D orientation of cardiomyocytes at any region throughout the volume. This model has been implemented in software as a plugin. Then, it has been validated with the pillars of atrio-ventricular valves by comparing the curves obtained by numerical simulation with those obtained in the experimental phases. Moreover, it has been possible to measure the 3D orientation of cardiomyocytes bundles within the pillars. After validation, the model was applied to an entire human healthy heart. Then, we extracted the mapping of the 3D orientations (azimuth angle, elevation angle) of cardiomyocytes bundles, as well as the mapping of the homogeneity levels of the entire myocardium. For a qualitative comparison of the 3D orientation measurements obtained with the PLI and Magnetic Resonance Imaging (MRI), the healthy human heart of a 14 month old child was extracted at autopsy, then fixed in formalin, and finally imaged by MRI and PLI. Despite the low spatial resolution of MRI images, the results showed that the 3D orientations of cardiomyocytes bundles measured from these two imaging methods appeared almost identical.

No description available.

L’imagerie par résonance magnétique de diffusion (l’IRMd) est actuellement la seule technique non-invasive pour étudier l’architecture tridimensionnelle des fibres myocardiques du cœur humain à la fois ex vivo et in vivo. Cependant, il est difficile de savoir comment les caractéristiques de diffusion calculées à partir des images de diffusion reflètent les propriétés des microstructures du myocarde à cause de l’absence de la vérité-terrain sans parler de l’influence de divers facteurs tels que la résolution spatiale, le bruit et les artéfacts. L'objectif principal de cette thèse est donc de développer des simulateurs de l’IRM de diffusion basés sur des modèles réalistes afin de simuler, en intégrant différentes modalités d'imagerie, les images pondérées en diffusion des fibres myocardiques à la fois ex vivo et in vivo, et de proposer un outil générique permettant d’évaluer la qualité de l’imagerie et les algorithmes de traitement d’images. Pour atteindre cet objectif, le présent travail se focalise sur quatre parties principales. La première partie concerne la formulation de la théorie de simulation IRMd pour la génération d’images de diffusion et pour les applications sur les modèles simples de fibres cardiaques chez l’homme, et essaie de comprendre la relation sous-jacente entre les propriétés mesurées de la diffusion et les caractéristiques à la fois physiques et structurelles des fibres cardiaques. La seconde partie porte sur la simulation des images de résonance magnétique de diffusion à différentes échelles en s’appuyant sur des données du cœur humain issues de l'imagerie par lumière polarisée. En comparant les propriétés de diffusion à différentes échelles, la relation entre la variation de la microstructure et les propriétés de diffusion observée à l'échelle macroscopique est étudiée. La troisième partie consacre à l’analyse de l'influence des paramètres d'imagerie sur les propriétés de diffusion en utilisant une théorie de simulation améliorée. La dernière partie a pour objectif de modéliser la structure des fibres cardiaques in vivo et de simuler les images de diffusion correspondantes en combinant la structure des fibres cardiaques et le mouvement cardiaque connu a priori. Les simulateurs proposés nous fournissent un outil générique pour générer des images de diffusion simulées qui peuvent être utilisées pour évaluer les algorithmes de traitement d’images, pour optimiser le choix des paramètres d’IRM pour les fibres cardiaque aussi bien ex vivo que in vivo, et pour étudier la relation entre la structure de fibres microscopique et les propriétés de diffusion macroscopiques. / Diffusion magnetic resonance imaging (dMRI) appears currently as the unique imaging modality to investigate noninvasively both ex vivo and in vivo three-dimensional fiber architectures of the human heart. However, it is difficult to know how well the diffusion characteristics calculated from diffusion images reflect the microstructure properties of the myocardium since there is no ground-truth information available and add to that the influence of various factors such as spatial resolution, noise and artifacts, etc. The main objective of this thesis is then to develop realistic model-based dMRI simulators to simulate diffusion-weighted images for both ex vivo and in vivo cardiac fibers by integrating different imaging modalities, and propose a generic tool for the evaluation of imaging quality and image processing algorithms. To achieve this, the present work focuses on four parts. The first part concerns the formulation of basic dMRI simulation theory for diffusion image generation and subsequent applications on simple cardiac fiber models, and tries to elucidate the underlying relationship between the measured diffusion anisotropic properties and the cardiac fiber characteristics, including both physical and structural ones. The second part addresses the simulation of diffusion magnetic resonance images at multiple scales based on the polarized light imaging data of the human heart. Through both qualitative and quantitative comparison between diffusion properties at different simulation scales, the relationship between the microstructure variation and the diffusion properties observed at macroscopic scales is investigated. The third part deals with studying the influence of imaging parameters on diffusion image properties by means of the improved simulation theory. The last part puts the emphasis on the modeling of in vivo cardiac fiber structures and the simulation of the corresponding diffusion images by combining the cardiac fiber structure and the a priori known heart motion. The proposed simulators provide us a generic tool for generating the simulated diffusion images that can be used for evaluating image processing algorithms, optimizing the choice of MRI parameters in both ex vivo and in vivo cardiac fiber imaging, and investigating the relationship between microscopic fiber structure and macroscopic diffusion properties.