De nos jours, les progrès de l’informatisation de l’imagerie médicale assistent au plus près les médecins dans leur soin au patient. Des modèles personnalisés computationnels sont utilisés pour le diagnostique, prognostique et planification du traitement, en diminuant lesrisques pour le patient, et potentiellement les frais médicaux.Heartflow est l’exemple même d’une compagnie qui réussit ce service dans le domaine cardiovasculaire. À partir d’un modèle extrait d’images tomographiques rayons X, les lésions avec impact fonctionnel sont identifiées dans les artères coronaires. Cette analyse qui combine l’anatomie à la fonction est néanmoins limitée par la résolution de l’image. En aval de ces larges vaisseaux, un examen fonctionnel dénommé Imagerie de Perfusion du Myocarde (IPM) met en évidence les régions du myocarde affectées par un déficit de flux sanguin. Cependant, l’IPM n’établie pas de relation fonctionnelle avec les larges vaisseaux coronaires lésés en amont.L’objectif de ce projet est de construire la connexion fonctionnelle entre les coronaires et le myocarde, en extrapolant l’analyse fonctionnelle depuis les larges vaisseaux vers le lit capillaire. À cette fin, il faut étendre le modèle vasculaire jusqu'aux microvaisseaux, et mener une analyse fonctionnelle en direction du comportement myocardique.Nous étendons une méthode de génération d’arbre vasculaire basée sur la satisfaction de principes fonctionnels, nommée Constrained Constructive Optimization (Optimization Constructive sous Contraintes), pour qu’elle s’applique à de multiples arbres vasculaires en compétition. L’algorithme simule l’angiogénèse avec minimisation du volume vasculaire sous contraintes de flux et de géométrie adaptant la croissance simultanée des arbres aux caractéristiques du patient. Cette méthode fournit un modèle hybride composé de coronaires épicardiales extraites d’images et de vaisseaux synthétiques jusqu’aux artérioles, emplissant le ventricule gauche du myocarde.Puis, nous construisons un pipeline d’analyse fonctionnelle multi-échelle pour étendre la simulation de flux depuis les coronaires vers le myocarde. Cela consiste en un modèle de flux coronaire 1D compatible avec la vasculature hybride, et l’analyse de la distribution spatiale des flux provenant des segments terminaux. Cette dernière est réalisée dans une nomenclature similaire à celle de l’IPM pour permettre la comparaison avec des données de vérité terrain fonctionnelles.Nous avons relié l’anatomie du réseau vasculaire à la distribution de flux dans le myocarde pour plusieurs patients. Cette analyse multi-échelle permet d’identifier des pistes pour affiner les méthodes de génération vasculaire et de simulation de flux. Cette extrapolation anatomique et fonctionnelle personnalisée est une première passerelle pour la simulation de perfusion du myocarde à partir d’imagerie tomographique scanner. La construction d’un tel modèle computationnel personnalisé pourrait aider à la compréhension de la physio-pathologie cardiovasculaire complexe et, enfin, à la santé du patient. / Recent advances in medical image computing have allowed automatedsystems to closely assist physicians in patient therapy. Computationaland personalized patient models benefit diagnosis, prognosisand treatment planning, with a decreased risk for the patient,as well as potentially lower cost. HeartFlow Inc. is a successfull exampleof a company providing such a service in the cardiovascularcontext. Based on patient-specific vascular model extracted from XrayCT images, they identify functionally significant disease in largecoronary arteries. Their combined anatomical and functional analysisis nonetheless limited by the image resolution. At the downstreamscale, a functional exam called Myocardium Perfusion Imaging (MPI)highlights myocardium regions with blood flow deficit. However,MPI does not functionally relate perfusion to the upstream coronarydisease.The goal of our project is to build the functional bridge betweencoronary and myocardium, by extrapolating the functional analysisfrom large coronary toward the capillary bed. This objective requiresextension from the coronary model down to the microvasculaturecombined with a functional analysis leading to the myocardium compartment.We expand a tree generation method subjected to functional principles,named Constrained Constructive Optimization, to generate multiplecompeting vascular trees. The algorithm simulates angiogenesisunder vascular volume minimization with flow-related and geometricalconstraints, adapting the simultaneous tree growths to patientpriors. This method provides a hybrid image-based and synthetic geometricmodel, starting from segmented epicardium coronary downto synthetic arterioles, filling the left ventricle myocardium.We then build a multiscale functional analysis pipeline to allowblood flow simulation from the coronaries to the myocardium. Thisis achieved with a 1D coronary model compatible with the hybridvasculature, and a spatial blood flow distribution analysis of the terminalsegments. The latter is performed using a similar nomenclatureto MPI, to enable patient-specific comparison with functional groundtruthdata.We connected the vascular anatomy to blood flow distribution inthe myocardium on several patient datasets. This multiscale frameworkpoints out several leads to refine the vascular network generationand fluid simulation methods. This patient-specific anatomicaland functional extrapolation is a first gateway toward myocardiumperfusion from X-ray CT data. Building such personalized computational model of patient could potentially help investigating cardiovascularcomplex physio-pathology, and, finally, improve the patientcare.

L'IRM cardiaque est un examen non invasif qui permet aujourd’hui de proposer une analyse multiparamétrique alliant notamment fonction, caractérisation tissulaire, perfusion, et appréciation de la fibrose. Cependant afin d'uniformiser ces analyses il convient de favoriser une interprétation objective des images obtenues passant par une étape de quantification de l'information. Nous avons suivi une cohorte de 195 patients ayant présenté un premier infarctus du myocarde avec sus décalage du segment ST et ayant bénéficié d'une revascularisation coronaire en phase aigüe avec succès. Des IRM ont été réalisées au cours de leur hospitalisation puis à 3 mois. Ont été investigués de façon quantitative les volumes ventriculaires, le stress pariétal systolique, la taille d'infarctus, la taille d'obstruction microvasculaire et la taille de l'épanchement péricardique. Une cohorte de 42 patients présentant une cardiomyopathie hypertrophique a également été étudiée par ECG et IRM. Nous avons débuté par une validation clinique comparative des méthodes de quantification semi-automatique de la taille d'infarctus. L’obtention du seuil par la méthode FWHM permet de mesurer la taille d’infarctus initial la mieux corrélée aux volumes ventriculaires à 3 mois. Nous avons également confronté et souligné les relations entre l’ECG et le phénotype des cardiomyopathies hypertrophiques documenté par IRM cardiaque. Nous montrons qu’il n’existe pas de critère ECG corrélé à la présence de fibrose myocardique dans cette pathologie ; à l’inverse la présence d’une onde q semble en relation avec la géométrie cardiaque tel qu’un rapport de la paroi septale sur latérale élevé. Nous avons également montré que les composantes de la déformation myocardique étaient altérées selon le degré de fibrose myocardique dans le post-infarctus. Nous montrons une altération plus marquée en cas d’obstruction microvasculaire et un caractère prédictif du strain longitudinal global pour la taille d’infarctus à 3 mois. Nos analyses soulignent l'intérêt d'une approche multiparamétrique pour préciser les déterminants d'une part de l'insuffisance cardiaque, d'autre part de la constitution d'un épanchement péricardique post-infarctus. Alors que la taille d’infarctus initiale est le meilleur marqueur de risque de développer un épisode d’insuffisance cardiaque pendant l’hospitalisation, c’est le stress pariétal systolique qui est le mieux relié aux épisodes d’insuffisance cardiaque après la sortie. Enfin, un épanchement péricardique était retrouvé chez 58.5% des patients avec une moyenne de 31.6±24.0 ml. Les paramètres associés en analyse multivariée étaient la taille d’infarctus, la présence d’une obstruction microvasculaire et le stress pariétal systolique. L’ensemble de nos résultats montre l’intérêt d’une approche quantitative et multiparamétrique de l’IRM cardiaque. Ses potentielles applications sont nombreuses dans le domaine de la recherche aussi bien descriptive que prospective et randomisée. / The various aspect of cardiac function may now be investigated non-invasively by cardiac imaging. Cardiac magnetic resonance (CMR) allows to study multiple parameters in one time, including function, perfusion, tissular characteristics and fibrosis. There is a need to propose adequate and objective criteria for CMR analysis, which may be warranted by a quantitative analysis. We prospectively followed 195 patients with a first ST elevation myocardial infarction and successful revascularisation. CMR were performed at baseline and 3 months. We analysed ventricular volumes, systolic wall stress, infarct size, microvascular obstruction, and pericardial effusion extent. A cohort of 42 patients with hypertrophic cardiomyopathy were also studied. We demonstrated the clinical interest for semi-automated analysis of late gadolinium enhancement imaging. The use of the FWHM algorithm appeared strongly related to left ventricular volumes at 3 months. Then we depicted the lack of relationships between electrocardiograms and fibrosis in patients with hypertrophic cardiomyopathy. The presence of q waves appeared to be related to cardiac phenotype, namely higher septal to posterior ratios. We showed the impairment of myocardial deformations in regard of myocardial fibrosis following a myocardial infarction. We found a much depressed deformation in case of microvascular obstruction and an interest for longitudinal global strain for the prediction of infarct size at 3 months. We also studied the determinants of post-infarction heart failure on one part, pericardial effusion on the other, by the use of a CMR multiparametric approach. Infarct size and systolic wall stress were the best markers of in-hospital and post-discharge heart failure, respectively. A pericardial effusion was found in 58.5% of the patients with a mean size of 31.6±24.0 ml. The determinants by multivariate analysis were infarct size, microvascular obstruction and systolic wall stress. Our results highlighted the interest for a quantitative and multiparametric approach of CMR. Further applications are expected in both descriptive and randomized studies.

L’infarctus du myocarde (IDM), responsable du remodelage ventriculaire, peut conduire, s’il est délétère, à l’insuffisance cardiaque (IC), principale cause de mortalité à travers le monde. Les récentes découvertes ont montré l’implication des ARNs non codants, microARNs (miARNs) et les longs ARNs non codants (lncARNs), dans les processus physiologiques et pathologiques et notamment dans les maladies cardiovasculaires. L’objectif de ce travail a été d’étudier le potentiel des miARNs et des lncARNs en tant que biomarqueurs pronostiques et diagnostiques ainsi qu’en tant que cibles thérapeutiques dans l’IDM et le remodelage ventriculaire. Dans un premier temps, nous avons évalué le pouvoir diagnostique des miARNs sur une cohorte de patients présentant des douleurs thoraciques. Le miR-208b et le miR-499 ont montré une bonne capacité diagnostique de l’IDM, ne dépassant toutefois pas celle des troponines. Nous avons ensuite observé que le miR-150 présente une plus faible concentration dans le sang de patients avec un remodelage ventriculaire post-IDM par rapport aux patients sans remodelage, le positionnant comme un biomarqueur intéressant dans le pronostic de l’IC. Enfin, nous avons montré une régulation importante de plusieurs lncARNs dans le cœur de souris, 24 heures après IDM et 2 lncARNs, MIRT1 et MIRT2, ont été mis en avant pour leur association avec le remodelage. En conclusion, nos études ont montré l’utilité des ARNs non codants pour améliorer l’identification des patients à risque de développer une IC après IDM et ont permis également de mettre en évidence de nouvelles cibles thérapeutiques qui pourraient prévenir le remodelage ventriculaire post-IDM / Myocardial infarction (MI responsible for left ventricular remodeling which can be deleterious and the development of heart failure (HF). HF is one of the leading causes of mortality worldwide and despite many improvements, it remains a major challenge in clinical practice. Recent discoveries in genomics have showed the involvement of non-coding RNAs, including microRNAs (miRNAs) and long non-coding RNAs (lncRNAs), in physiological and pathological processes and notably linked to cardiovascular diseases. The goal of this work was to study the potential of miRNAs and lncRNAs as prognostic and diagnostic biomarkers and as therapeutic targets in MI and left ventricular remodeling leading to HF. First, we evaluated the diagnostic value of miRNAs in patients with chest pain. MiRNA-208b and miR-499 have shown a good diagnostic capacity for MI. However, these miARNs failed to improve the diagnosis of MI by troponins. MiRNA-208b could also predict patient mortality after MI but this capacity was modest. Then, we observed that miR-150 was present at a low level in the blood of patients with left ventricular remodeling post-MI compared to patients without remodeling. Therefore, miRNA-150 is an interesting prognostic biomarker. Finally, we have shown a significant regulation of several lncRNAs in mouse heart, 24 hours after MI, and 2 lncRNAs, MIRT1 and MIRT2, have been demonstrated for their association with left ventricular remodeling. In conclusion, our studies have shown the utility of non-coding RNAs to improve the identification of patients at risk of developing HF after MI and also allowed to identify potential therapeutic targets to prevent left ventricular remodeling

La cartographie du temps de relaxation longitudinale T1 est une technique d'IRM quantitative pour caractériser les tissus myocardiques. Plusieurs études ont déjà montré la corrélation entre la mesure de T1 et la présence de fibrose. Celle-ci est souvent observée dans les pathologies cardiaques telles que les cardiomyopathies ou l'infarctus du myocarde. Cependant, l'acquisition d'une carte T1 du coeur reste techniquement difficile. Actuellement, la quantification T1 du myocarde humain est réalisée en apnée à l'aide de séquences 2D qui sont spécifiques aux constructeurs et donc peu disponibles. Afin de pallier aux limitations de ces séquences, nous proposons une méthode basée sur une séquence 3D clinique. Cette technique, utilisant la variation des angles de bascule avec intégration d'une correction B1, a été adaptée pour une utilisation en imagerie cardiaque. Des essais sur fantôme ont permis de sélectionner les paramètres optimaux et de montrer la reproductibilité de la méthode. Puis, une étude sur volontaires sains a permis de valider la méthode en double synchronisation (cardiaque et respiratoire). Enfin, une méthode de reconstruction intégrant des signaux physiologiques de mouvement a également été utilisée afin de faire de la quantification T1 en respiration libre et de diminuer le temps d'acquisition. Les valeurs de T1 myocardique sur volontaires sont comprises entre 1289 ± 66 ms et 1376 ± 43 ms, correspondant aux valeurs de la littérature. Ces travaux ouvrent la voie à l'utilisation de la cartographie T1 chez les patients avec pour objectifs une meilleure caractérisation des pathologies et une meilleure adaptation des stratégies thérapeutiques / T1 mapping is a useful quantitative MR technique for cardiac tissue characterization. Several studies have shown that T1 measurements are correlated with fibrosis, which is observed in cardiac diseases such as cardiomyopathy or myocardial infarction. However, cardiac T1 mapping remains challenging, mainly because of long acquisition times and interference from cardiac and respiratory motions. T1 quantification on the human myocardium is generally performed on breath-hold with 2D specific sequences. Unfortunately these sequences are scanner specific and poorly available for clinical use. To overcome these limitations, we propose a new method based on a 3D clinical sequence. This technique, using a variable flip angle approach that integrates B1 correction, was adapted in cardiac imaging. Phantom tests were used to select the optimal parameters and to show the method reproducibility. Then, the method was validated with a volunteer study using double synchronization (cardiac and respiratory). Moreover, a reconstruction method integrating physiological signals of motion was also used to perform T1 quantification in free breathing and to reduce the total acquisition time. The myocardial T1 values on volunteers ranged between 1289 ± 66 ms and 1376 ± 43 ms, which was in good agreement with previously published works. These studies allow the use of T1 mapping in patients with better characterization of pathologies and a better adaptation to therapeutic strategies

L’IRM cardiaque a une capacité unique d’étudier le remodelage ventriculaire gauche (VG) après infarctus du myocarde. Les objectifs principaux de ce travail étaient de caractériser le tissue de l’infarctus par IRM et d’évaluer les facteurs associés au remodelage du VG. Nous avons étudié prospectivement 114 patients présentant un premier infarctus du myocarde avec sus-décalage du segment ST et ayant subi une angioplastie primaire. Des IRM cardiaques ont été réalisées dans les 2 à 4 jours et à 6 mois suivant la revascularisation. Premièrement, nous avons réalisé une analyse comparative de différentes méthodes de segmentation de l’infarctus sur l’imagerie de rehaussement tardive (RT). Deuxièmement, nous avons étudié l’évolution des différentes composantes de la zone RT au cours des six mois, et observé que la réduction de la zone RT (33,8%) était représentée par l’extension de la zone grise initiale. Troisièmement, nous avons évalué le rôle clinique de la zone grise. Elle s’est révélée protectrice vis-à-vis du remodelage délétère. Quatrièmement, nous avons étudié l’influence de l’obstruction microvasculaire (OMV) sur le remodelage local du VG. Différents motifs ont été observés entre les patients atteints de l’OMV et ceux ne présentant pas d’OMV: un rétrécissement uniforme à travers le VG chez les patients sans OMV lorsque les sujets avec OMV présentaient une dilatation globale significative, ainsi qu’une dilatation plus importante dans les régions atteint d’OMV / Cardiac MRI (CMR) has the unique ability to study left ventricular remodeling after myocardial infarction. The main objectives of this work were to characterize infarct tissue by CMR and to evaluate factors associated with LV remodeling. We prospectively studied 114 patients with a first ST-segment elevation myocardial infarction (STEMI) undergoing primary angioplasty. CMR was performed within 2-4 days and at 6 months after the revascularization. First, we compared different methods for the segmentation of myocardial infarcts on late gadolinium enhancement (LGE) imaging. Second, we described the evolution of different components of LGE area during 6 months. We found that the decrease of LGE area (33.8%) matched the extent of initial gray zone. Third, we studied the clinical role of gray zone. The gray zone was found to be a protective factor for adverse remodeling. Fourth, we studied the influence of microvascular obstruction (MVO) on local LV remodeling and observed distinct remodeling patterns in patients with and without MVO: equally-distributed shrinkage throughout the LV cavity in patients without MVO whereas significant dilation occurring in those with MVO, tending to be greater in myocardial regions containing MVO

Les pathologies cardiovasculaires sont la première cause des décès dans le monde. Il est donc vital de les étudier afin d’en comprendre les mécanismes et pouvoir prévenir et traiter plus efficacement ces maladies. Cela passe donc par la compréhension de l’anatomie, de la structure et du mouvement du coeur. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés dans un premier temps au modèle de Gabarit Déformable Élastique qui permet d’extraire l’anatomie et le mouvement cardiaques. Le Gabarit Déformable Élastique consiste à représenter le myocarde par un modèle de forme a priori donné que l’on déforme élastiquement pour l’adapter à la forme spécifique du coeur du patient Dans le premier chapitre de cette thèse, nous utilisons une méthode de perturbation singulière permettant la segmentation avec précision de l’image. Nous avons démontré que si l’on faisait tendre vers 0 les coefficients de l’élasticité, le modèle mathématique convergeait vers une solution permettant la segmentation. Dans le cadre d’une formulation au sens des moindres carrés il est nécessaire de disposer d’une méthode numérique performante pour résoudre l’équation du transport au sens des moindres carrés. La méthode des éléments finis pour traiter les phénomènes de transport ne permet pas d’avoir un principe du maximum faible, sauf si l’opérateur aux dérivées partielles en temps est séparé de l’opérateur aux dérivées partielles en espace. Dans le chapitre 2 de la thèse nous considérons une formulation au sens des moindres carrés espace-temps et nous proposons de résoudre un problème sous contraintes afin de récupérer un principe du maximum discret. Le dernier objectif de la thèse est le suivi dynamique d’images cardiaques ou la reconstruction anatomique du coeur à partir de coupes 2D dans le plan orthogonal au grand axe du cœur. La méthode mathématique que nous utilisons pour cela est le transport optimal. Dans le chapitre 3 nous analysons les performances de l’algorithme proposé par Peyré pour calculer le transport optimal de nos images. La résolution numérique du transport optimal est un problème difficile et couteux en temps de calcul. C’est pourquoi nous proposons une méthode adaptative pour le calcul de l’opérateur proximal de la fonction à minimiser permettant de diviser par quatre le nombre nécessaire des itérations pour que l’algorithme converge. / Cardiovascular disease are the leading cause of death worldwide. It is therefore vital to study them in order to understand the mechanisms and to prevent and treat these diseases more effectively. Therefore it requires an understanding of anatomy, structure and motion of the heart. In this thesis, we are interested in a first time at the Deformable Elastic Template model which can extract the cardiac anatomy and movement. The Elastic Deformable template is to represent the myocardium by a shape model a priori given that it elastically deforms to fit the specific shape of the patient’s heart. In the first chapter of this thesis, we use a singular perturbation method for accurately segmenting the image. We have demonstrated that if we did tend to 0 the coefficients of elasticity, the mathematical model converge to a solution to the problem of segmentation. As part of a formulation to the least squares sense it is necessary to have an efficient numerical method for solving the transport equation in the least squares sense. The finite element method to treat transport phenomena can not have a weak maximum principle, unless the operator of partial time is separated from the operator of partial space.In Chapter 2 of the thesis, we consider a least squares formulation of space-time and we propose to solve the problem constraints to recover a discrete maximum principle. The final objective of this thesis is the dynamic monitoring of cardiac images or anatomical reconstruction of the heart from 2D slices orthogonal to the long axis of the heart level. The mathematical method we use for this is the optimal transport. In Chapter 3 we analyze the performance of the algorithm proposed by Peyré to calculate the optimal transport of our images. The numerical resolution of optimal transport is a difficult and costly in computation time problem. That is why we propose an adaptive method for determining the proximity operator of the function to be minimized to divide by four the number of iterations required for the algorithm converges.

L’infarctus du myocarde est une des premières causes de décès dans le monde. Sa prise en charge repose sur une reperfusion précoce. De façon paradoxale, la reperfusion induit des lésions délétères qui participent à la nécrose de l’organe. Parmi les stratégies de cardioprotection qui visent à limiter la formation de ces lésions, il a été décrit que l’utilisation d’anticoagulants au moment de la reperfusion avait un effet bénéfique sur la taille finale d’infarctus chez l’animal. La cardioprotection induite par ces molécules serait liée à la modulation des phénomènes thrombo-inflammatoires impliqués dans la formation des lésions de reperfusion. Nous nous sommes intéressés à deux anticoagulants inhibant le facteur X activé, le fondaparinux et le rivaroxaban, à l’aide d’un modèle d’ischémie-reperfusion (IR) myocardique chez le rat et de modèles cellulaires d’hypoxie-réoxygénation. Nos résultats montrent que ces deux molécules ont un effet cardioprotecteur à la phase aigue de la reperfusion via des mécanismes différents. La cardioprotection induite par le fondaparinux n’est pas liée à un effet anti-inflammatoire. En revanche, cet anticoagulant induit une modulation du phénotype endothélial au cours de l’IR avec l’augmentation de l’expression de deux molécules cytoprotectrices, la thrombomoduline et le récepteur endothélial de la protéine C. Concernant le rivaroxaban, son effet bénéfique serait lié à un effet cytoprotecteur au niveau des cardiomyocytes. Cette étude confirme l’intérêt des anticoagulants dans la cardioprotection et précise les cibles cellulaires impliquées, ouvrant des perspectives intéressantes concernant l’inhibition de la coagulation au cours de l’IR. / Myocardial infarction is a leading cause of death worldwide. Prompt reperfusion therapy is essential to limit the infarct size. Paradoxically, reperfusion itself can induce deleterious lesions contributing to necrosis, called reperfusion injuries. Among cardioprotective strategies aiming to reduce the formation of these lesions, the use of anticoagulants during reperfusion has been proven to be effective in animals. Anticoagulants-induced cardioprotection would be related to the modulation of thrombo-inflammatory phenomenoms involved in the formation of reperfusion injuries. We studied two anticoagulants inhibiting activated factor X, fondaparinux and rivaroxaban, in a myocardial ischemia-reperfusion (IR) model in rat and in cellular models of hypoxia-reoxygenation. Our results showed that these two anticoagulants were cardioprotective at early-stage reperfusion via distinct mechanisms. Fondaparinux protective effet was not associated with anti-inflammatory properties. However, this anticoagulant increased the expression of two cytoprotective endothelial molecules, thrombomodulin and endothelial protein C receptor. Rivaroxaban beneficial effect was related to cytoprotective effect on cardiomyocytes. This study confirms the of use anticoagulants as a relevant cardioprotective strategy and specifies the cellular targets involved, opening new perspectives regarding the inhibition of coagulation in the setting of IR.

Les maladies cardiovasculaires représentent un important problème de santé publique à travers le monde. Parmi ces pathologies, l’infarctus du myocarde (IM) a fait l’objet de nombreux essais visant à diminuer sa sévérité. Néanmoins peu ont remporté leur pari. Cet échec peut avoir plusieurs composantes parmi lesquelles la méconnaissance de la complexité des mécanismes moléculaires impliqués. Notre compréhension de l’IM a cependant été nettement améliorée grâce à des méthodes utilisées pendant les dernières décennies et qui consistaient à étudier séparément un nombre limité d’acteurs moléculaires impliqués dans un mécanisme simple et linéaire. Cependant, l’échec des essais cliniques basés sur ces approches réductionnistes ont montré leurs limites. L’émergence de la biologie des systèmes, ces dernières années, a stimulé les recherches visant à mieux intégrer et comprendre la nature complexe et stochastique des réseaux moléculaires et leur dynamique dans la progression des pathologies. L’objectif général de cette thèse a consisté en le développement et l’amélioration de méthode d’analyses et de combinaison des données spatio-temporelles issus d’expériences réalisées sur un modèle d’infarctus du myocarde chez la souris. L’objectif scientifique visait à caractériser les principaux signaux dynamiques au cours de la séquence d’ischémie-reperfusion. A cet effet, nous avons tout d’abord développé une chaîne de méthode utilisant la clarification d’organe et la microscopie de fluorescence permettant de quantifier, en 3 dimensions, la zone du myocarde soumise au choc oxydant lors de la reperfusion. Dans une seconde partie, nous avons développé une nouvelle chaîne analytique pour caractériser la dynamique d’expression des transcrits. Appliquée aux animaux contrôles (soumis à la chirurgie et l’anesthésie), nous mettrons, grâce à cette chaîne de méthode, le rôle majeur de la voie de l’interleukine 6 dans le développement de la réponse immunitaire et nous concluons ainsi sur la nécessité de réaliser une analyse dynamique du modèle expérimental pour caractériser sa réponse à l’échelle moléculaire et éviter toute surinterprétation de la réponse à l’IM / Cardiovascular diseases represent a major health burden worldwide. According to the World Health Organization, 17 million people are dying each year by heart diseases which account to 31% of total deaths globally. Among these diseases is myocardial infarction (MI). Several efforts have been made to decrease the associated mortality rates but unfortunately, only few has succeeded to date. This failure is contributed to several factors, among them is the misunderstanding of the mechanism responsible for the progression of the disease.Our understanding of the MI pathology has been greatly improved by the approaches that have been widely used in the previous decades, relying mainly on studying molecules/pathways separately. However, this knowledge was not enough to make a difference clinically. Therefore, deciphering the interconnections between molecules has become an urge for better understanding of the diseases’ progression. In this regard, the work in this doctoral thesis involves different aspects of the MI pathology. The general aim of this work is to improve the dynamic analytical approach using systems biology tools, where new mechanistic information is decoded. Firstly, in a 3D heart model, we propose a chain of methods using clarified mouse heart and fluorescence microscopy to molecularly characterize the area at risk in the myocardium of IR and cardioprotected mice based on its redox state. In addition, we aim to develop a new analytical approach using dynamical large-scale transcriptomic data for characterizing the dynamic transcripts expression. Applying this approach on a control mouse model (mice subjected to anesthesia and surgical interventions), we show that Il-6 is a major mediator of the activated inflammatory reaction. In conclusion, this analytical approach highlights the necessity of the sapatio-temporal analysis to characterize the molecular events occurring in response to MI

Un chemin géodésique entre deux points sur une surface de R³ est un plus court chemin local. Nous proposons deux méthodes de calcul de géodésiques qui ont l'originalité d'utiliser des outils de modélisation géométrique dans ce contexte de géométrie différentielle. La méthode de minimisation propose de travailler sur des surfaces paramétrées et d'étudier le problème en se placant dans l'espace des paramètres. Les courbes considérées y sont les courbes de Bézier et les courbes splines.Leurs points de contrôle constituent les variables par rapport auxquelles la longueur du chemin image sur la surface est minimisée. L'implémentation de cette méthode d'approximation et sa validation sont développées.La méthode de subdivision propose de travailler sur des surfaces de subdivision, limites d'une suite de réseaux générés par un schéma de subdivision. Une méthode itérative de calcul exact de chemin géodésique sur une surface polyédrique est développée. Celle-ci permet ainsi de calculer une suite de chemins géodésiques sur les surfaces polyédriques issues des réseaux de contrôle successifs.La convergence de cette suite de chemins géodésiques est traitée et de nombreux exemples sont présentés.Quelques applications sont enfin proposées : la génération de maillages surfaciques et la modélisation des fibres du myocarde pour l'imagerie médicale.

Les travaux de cette thèse sont consacrés à la quantification de cardiopathies, la prédiction de leur évolution et la planification de thérapies, avec pour application principale la tétralogie de Fallot, une malformation congénitale grave du cœur. L'idée sous-jacente est d'utiliser des modèles informatiques sophistiqués combinant traitement d'images, statistique et physiologie, pour assister la gestion clinique de ces patients. Dans un premier temps, nous proposons une nouvelle méthode de recalage d'images plus précise pour estimer la déformation cardiaque à partir d'images médi- cales anatomiques, où seulement le mouvement apparent du cœur est visible. L'algorithme proposé s'appuie sur la méthode dite des démons, que l'on contraint de manière rigoureuse à être élastique et incompressible grâce à une nouvelle justification de l'étape de régularisation de l'algorithme. Les expériences réalisées sur des images synthétiques et réelles ont démontré que l'ajout de ces contraintes améliore de manière significative la précision des déformations estimées. Nous étudions ensuite la croissance du cœur par une approche statistique basée sur les "courants". Une analyse en composantes principales permet d'identifier des altérations morphologiques dues à la pathologie. L'utilisation conjointe de la méthode PLS (moindres carrés partiels) et de l'analyse des corrélations canoniques permet de créer un modèle statistique moyen de croissance du cœur. L'analyse du ventricule droit de 32 patients avec tétralogie de Fallot a révélé une dilatation du ventricule, une déformation de sa base et un élargissement de son apex, caractéristiques que l'on retrouve dans la littérature clinique. Le modèle de croissance montre qu'elles apparaissent progressivement au fil du temps. Enfin, nous adaptons un modèle électromécanique du cœur pour simuler la fonction cardiaque chez des patients et tester diverses stratégies de pose de valves pulmonaires. Le modèle électromécanique simule les caractéristiques principales de la fonction cardiaque. Une fois personnalisé, le modèle est utilisé pour prédire les effets postopératoires de la pose de valves chez le patient. Le modèle a été ainsi capable de reproduire, de manière qualitative, la fonction cardiaque de deux patients. Comme attendu, la fonction simulée du ventricule droit est améliorée après pose de valves, ainsi que celle du ventricule gauche, suggérant une relation étroite entre les deux ventricules du cœur. Les méthodes de traitement d'images médicales, d'analyses statistiques et de modèles de la physiologie du cœur forment un cadre puissant pour le développe- ment d'une médecine plus personnalisée et assistée par ordinateur.