Les anévrismes intracrâniens présentent des risques importants en raison de leur taux de rupture élevé et des conséquences qui peuvent être fatales comme lors d’hémorragies méningées. Afin d’effectuer une recherche hémodynamique sur l’anévrisme intracrânien in vitro, un fantôme est indispensable. Jusqu’à présent, des fantômes rigides ou simplifiés sont utilisés dans littérature, peu d’entre eux sont suffisamment fidèle à la réalité. Le travail de cette thèse se concentre sur la méthodologie de fabrication des fantômes patient-spécifiques d’anévrismes intracrâniens ainsi que leur mise en œuvre pour différentes utilisations. Ces fantômes possèdent la forme anatomique de l’artère du patient et une paroi élastique. Ils sont fabriqués en appliquant une technique originale de prototypage rapide. Les fantômes sont vérifiés selon plusieurs aspects. Pour effectuer des recherches hémodynamiques sur les fantômes, un banc d’essai compatible avec différentes modalités d’imagerie a été conçu. L’angiographie par résonance magnétique 2D par contraste de phase a été utilisée pour étudier l’hémodynamique des fantômes. Le comportement dynamique de paroi, les trajectoires 3D du flux et son champ de vélocité sont analysés. L’application potentielle dans domaine clinique du fantôme patient-spécifique a été aussi testée dans cette thèse, des simulations d’intervention sur des anévrismes intracrâniens ont été effectuées sur le banc d’essai et les fantômes, les résultats de différentes méthodes ont été analysés et comparés. / Intracranial aneurysms are a hazard to human health because of their high rupture rate and fatal subsequence, such as subarachnoid hemorrhage. In order to carry out a hemodynamic research in vitro on the intracranial aneurysm, a phantom is indispensable. Until now, rigid or simplified phantoms are mainly used in the literature, few among them possess sufficient properties compared with reality. The work of this thesis focuses on the methodology of manufacturing patient-specific phantoms of intracranial aneurysms as well as their implementation for different uses. The phantoms have an anatomical shape of patient’s artery and an elastic wall. They are manufactured by applying an original rapid prototyping technique. The phantoms are examined and verified in different ways. In order to perform a hemodynamic research of the phantoms, a testing platform compatible with different imaging modalities has been designed and established. 2D phase-contrast magnetic resonance angiography was applied in the hemodynamic study of the phantoms. The dynamic behavior of the artery wall, the 3D path-line of flow and the velocity field of flow were analyzed. The potential application in the clinical domain of the patient-specific phantoms was also tested in this thesis, simulations of intervention on intracranial aneurysms were carried out with the testing platform and the phantoms, the results of different treatment strategies were analyzed and compared.

Les poumons sont constitués d’un arbre par lequel circule l’air et qui alimente le parenchyme où ont lieu les échanges gazeux avec le sang. Certaines pathologies affectent la structure de l’arbre ou du parenchyme induisant des défauts dans l’approvisionnement en air ou des efforts respiratoires accrus. Etudier l’organe in-vivo est complexe. La modélisation mathématique peut apporter un éclairage utile sur les effets associés aux pathologies touchant le poumon, et la pertinence des traitements proposés. Dans la première partie de cette thèse, nous proposons un modèle mécanique de ventilation pulmonaire. Un arbre 0D est couplé de manière forte à un modèle de parenchyme 3D. On met en évidence l’impact sur la distribution de ventilation des conditions aux limites et d’altérations de l’arbre ou du parenchyme. Le comportement de ce modèle est comparé à celui d’un modèle plus simple et couramment utilisé.Dans une deuxième partie, on propose un modèle d’arbre asthmatique et on étudie dans quelle mesure respirer un gaz moins dense que l’air permet de diminuer les efforts et les défauts de ventilation. On propose ensuite une approche visant à déterminer la distribution des constrictions bronchiques les plus sévères à partir de données d’imagerie. Notre démarche s’appuie sur l’utilisation du modèle de ventilation, enrichie par une technique d’apprentissage statistique.On présente finalement deux études prospectives. La première étend les modèles de ventilation introduits précédemment avec pour objectif de modéliser la spirométrie. La deuxième s’inscrit dans une perspective visant à déterminer la géométrie du poumon à partir de mesures simples prises sur le corps du patient. / The lungs contain a tree through which the air flows. It supplies a porous region, the parenchyma, where gas exchanges with blood take place. Some pathologies affect the tree structure or the parenchyma integrity. They can induce ventilation defects or increased respiratory efforts. In vivo-studies are complex and mathematical modeling can provide some insights on the lung behavior, the pathologies’ impacts or the efficiency of treatments.In the first part of this thesis, we propose a ventilation model of the lung based on a mechanical description. A 0D tree is strongly coupled to a 3D parenchyma model. We show the influence of chosen boundary conditions as well as tree or parenchyma alterations on the ventilation distribution. Results are compared with those provided by a simpler model, often used in the literature.In a second part, we use the tree-parenchyma coupled model to investigate how breathing gas mixtures less dense than air would potentially reduce efforts and ensure a better ventilation. To that end, we build an asthmatic tree model.In the next part, we develop an approach to get insights on severe constrictions distribution based on the analysis of dynamic lung ventilation images. To do so, the coupled ventilation model is used along with a machine learning technique.Finally, two prospective works are presented. First, we propose extensions to the ventilation models introduced in the first part as a step towards spriometry modeling. The last study is part of a global perspective that aims at getting insights on the lung geometry based on simple measurements on the patient’s body.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne la fabrication de fantômes d'aorte patient spécifiques utilisant une technique de fabrication additive par impression 3D. Ces répliques sont fabriquées en matériaux synthétiques dont les caractéristiques morphologiques et les propriétés mécaniques doivent être proches de celles déterminées sur un patient. Elles permettent d'optimiser ou de développer les techniques d'imagerie médicale, de comprendre les relations entre le comportement mécanique de la paroi aortique et les caractéristiques hémodynamiques du flux sanguin mais aussi de réaliser des entrainements préopératoires aux interventions chirurgicales, telles que le traitement endovasculaire. Dans cette étude, le comportement mécanique hyper-viscoélastique de la paroi aortique est modélisé par un modèle de Maxwell solide généralisé, dont les paramètres ont permis la sélection et le développement de matériaux élastomères de type silicone aux comportements mécaniques contrôlés. Ces matériaux ont été élaborés à partir de mélanges de formulations existantes et des lois de mélange ont été comparées pour guider la définition de la composition idéale permettant d'imiter le comportement mécanique désiré. Nous avons mis au point une méthode basée sur l'imagerie médicale par ultrason, capable d'identifier les paramètres hyper-viscoélastiques d'une paroi vasculaire. Cette méthode a été validée sur des tubes réalisés avec ces formulations de silicone, dont les propriétés mécaniques ont été mesurées avec des méthodes de référence. Puis, ces silicones ont été utilisés dans un processus de fabrication additive utilisant l'impression 3D par voie indirecte. Un travail de conception assistée par ordinateur a été réalisé pour produire un fantôme d'aorte patient-spécifique présentant un anévrisme fusiforme et non-thrombosé dans la région thoracique / The present work deals with the producing of patient-specific aortic phantoms using an additive manufacturing technique by 3D printing. Phantoms are manufactured from synthetic materials with morphological and mechanical characteristics which should be close to these identified on a patient. They can be used to develop techniques of medical imaging, to understand the relationship between aortic mechanical behavior and hemodynamic properties of blood flow, as well as to perform a preoperative training of interventions, such as endovascular treatment. In this study, the hyper-viscoelastic aortic mechanical behavior was described using a generalized solid Maxwell model. Silicone materials were developed based on the model’s mechanical parameters to mimic various aortic mechanical behaviors. These materials were formulated from commercials silicones, and then mixing rules were compared to define the ideal mixture which can mimic the specific mechanical behavior. A nondestructive method based on medical imaging by ultrasound was developed to identify the parameters of a blood vessel hyper-viscoelastic model. Silicone tubes made of our formulations with known reference mechanical parameters, were used to validate this method. Then, these silicone materials were used in an additive manufacturing process using indirect 3D printing. A work of computer aided design was done to produce a patient-specific aortic phantom with a thoracic fusiform aneurysm without thrombosis

Les modèles de croissance tumorale fondés sur l'équation de réaction-diffusion Fisher Kolmogorov FK ont montré des résultats probants dans la reproduction et la prédiction de l'invasion de cellules tumorales du cerveau pour les gliomes. Nous utilisons différentes formulations du modèle FK pour évaluer la nécessité de l’imagerie de diffusion pour construire des modèles spécifiques de Gliomes de Bas Grade GBG, l'étude de l'infiltration de cellules tumorales après une résection chirurgicale de la tumeur, et définir une métrique pour quantifier l’évolution de GBG. L'imagerie en tenseur de diffusion ITD a été suggérée pour modéliser la diffusion anisotrope des cellules tumorales dans la matière blanche du cerveau. Les ITD acquises en basse résolution impactent la précision des résultats des modèles de croissance. Nous utilisons une formulation FK pour décrire l'évolution de la frontière visible de la tumeur pour étudier l'impact du remplacement de l'ITD patient par une hypothèse de diffusion isotrope ou une ITD de référence anisotrope en haute résolution formée par la moyenne des ITD de plusieurs patients. Nous quantifions l'impact du remplacement de l'ITD acquise sur un patient à aide de simulations de croissance tumorales synthétiques et des prévisions d'évolution de la tumeur d'un cas clinique. Cette étude suggère que la modélisation de la croissance du gliome à base de motilité différentielle de tissus donne des résultats un peu moins précis qu'à l'aide d'une ITD. S'abstenir d'utiliser une ITD serait suffisant lors de la modélisation de GBG. Par conséquent, toutes ces options d'ITD sont valides dans une formulation FK pour modéliser la croissance de GBG dans le but d'aider les cliniciens dans la planification du traitement. Après la résection d’une tumeur cérébrale, ils veulent savoir quel serait le meilleur traitement de suivi pour chaque patient : une chimiothérapie pour des tumeurs diffuses ou bien une deuxième résection après un laps de temps donné pour les tumeurs massives. Nous proposons une méthode pour tirer profit de modèles de croissance de gliome FK sur les cas post-opératoires montrant des distorsions du cerveau pour estimer l'infiltration des cellules tumorales au-delà des frontières visibles dans les IRM FLAIR. Notre méthode répond à 2 défis de modélisation : celui du mouvement du parenchyme cérébral après la chirurgie avec une technique de recalage non-linéaire et celui de la segmentation incomplète de la tumeur post-opératoire en combinant 2 cartes d'infiltration : une ayant été simulée à partir d'une image pré-opératoire et l’autre à partir d'une image post-opératoire. Nous avons utilisé les données de 2 patients ayant des GBG afin de démontrer l'efficacité de la méthode. Celle-ci pourrait aider les cliniciens à anticiper la récurrence de la tumeur après une résection et à caractériser l’étendue de l'infiltration non visible par la radiologie pour planifier la thérapie. Pour les GBG visibles par une IRM FLAIR/T2, il y a un débat important au sein du groupe de travail RANO Response Assessment in Neuro-Oncology sur la sélection d'un seuil pertinent des métriques basées sur l’évolution de la taille de la tumeur pour déterminer si la maladie est évolutive ME. Nous proposons une approche pour évaluer la ME du GBG en utilisant des estimations de la vitesse de croissance de la tumeur à partir d'une formulation FK qui prend en compte les irrégularités de forme de la tumeur, les différences de vitesse de croissance entre la matière grise et la matière blanche, et les changements volumétriques. En utilisant les IRM FLAIR de 9 patients, nous comparons les estimations de ME de notre approche proposée avec celles calculées en utilisant les estimations manuelles de la vitesse de croissance tumorale 1D, 2D et 3D et celles calculées en utilisant un ensemble de critères basés sur la taille critères RECIST, Macdonald et RANO. Notre approche est prometteuse pour évaluer la ME du GBG à partir d'un nombre limité d'examens par IRM. / Tumor growth models based on the Fisher Kolmogorov (FK) reaction-diffusion equation have shown convincing results in reproducing and predicting the invasion patterns of glioma brain tumors. In this thesis we use different FK model formulations to i) assess the need of patient-specific DTIs when modeling LGGs, ii) study cancer cell infiltration after tumor resections, and iii) define a metric to determine progressive disease for low-grade glimoas (LGG).Diffusion tensor images (DTIs) have been suggested to model the anisotropic diffusion of tumor cells in brain white matter. However, patient specific DTIs are expensive and often acquired with low resolution, which compromises the accuracy of the tumor growth models' results. We used a FK formulation to describe the evolution of the visible boundary of the tumor to investigate the impact of replacing the patient DTI by i) an isotropic diffusion map or ii) an anisotropic high-resolution DTI atlas formed by averaging the DTIs of multiple patients. We quantify the impact of replacing the patient DTI using synthetic tumor growth simulations and tumor evolution predictions on a clinical case. This study suggests that modeling glioma growth with tissue based differential motility (not using a DTI) yields slightly less accurate results than using a DTI. However, refraining from using a DTI would be sufficient in situations when modeling LGGs. Therefore, any of these DTI options are valid to use in a FK formulation to model LGG growth with the purpose of aiding clinicians in therapy planning.After a brain resection medical professionals want to know what the best type of follow-up treatment would be for a particular patient, i.e., chemotherapy for diffuse tumors or a second resection after a given amount of time for bulky tumors. We propose a thorough method to leverage FK reaction-diffusion glioma growth models on post-operative cases showing brain distortions to estimate tumor cell infiltration beyond the visible boundaries in FLAIR MRIs. Our method addresses two modeling challenges: i) the challenge of brain parenchyma movement after surgery with a non-linear registration technique and ii) the challenge of incomplete post-operative tumor segmentations by combining two infiltration maps, where one was simulated from a pre-operative image and one estimated from a post-operative image. We used the data of two patients with LGG to demonstrate the effectiveness of the proposed three-step method. We believe that our proposed method could help clinicians anticipate tumor regrowth after a resection and better characterize the radiological non-visible infiltrative extent of a tumor to plan therapy.For LGGs captured on FLAIR/T2 MRIs, there is a substantial amount debate on selecting a definite threshold for size-based metrics to determine progressive disease (PD) and it is still an open item for the Response Assessment in Neuro-Oncology (RANO) Working Group. We propose an approach to assess PD of LGG using tumor growth speed estimates from a FK formulation that takes into consideration irregularities in tumor shape, differences in growth speed between gray matter and white matter, and volumetric changes. Using the FLAIR MRIs of nine patients we compare the PD estimates of our proposed approach to i) the ones calculated using 1D, 2D, and 3D manual tumor growth speed estimates and ii) the ones calculated using a set of well-established size-based criteria (RECIST, Macdonald, and RANO). We conclude from our comparison results that our proposed approach is promising for assessing PD of LGG from a limited number of MRI scans. It is our hope that this model's tumor growth speed estimates could one day be used as another parameter in clinical therapy planning.

L’Ostéotomie Tibiale de Valgisation (OTV) par ouverture médiale est un traitement conservatif efficace dans le traitement de la gonarthrose médiale chez le patient jeune et actif présentant un défaut d’alignement du membre inférieur. Ce défaut entraine un déséquilibre dans la répartition des charges transitant dans le genou et est un facteur de risque la gonarthrose. L’objectif est de corriger l’alignement en corrigeant une déformation osseuse du tibia proximal. Une coupe osseuse médiolatérale incomplète partant du bord médial de la métaphyse tibiale et orientée vers l’articulation tibio-fibulaire permet de créer une ouverture sur le bord médial par rotation autour de la charnière latérale, épaisseur d’os non-coupée sur le bord latéral. L’importance de l’ouverture dépend de la déformation osseuse et du stade d’arthrose. La réussite de l’OTV par ouverture médiale est conditionnée par une correction précise, un montage d’ostéosynthèse stable et une charnière latérale préservée pendant l’ouverture. L’objectif de cette thèse était de proposer une méthodologie de planification préopératoire à associer à une instrumentation patient-spécifique réalisée en impression 3D. Cette instrumentation devait permettre d’appliquer la correction souhaitée dans les plans frontal et sagittal mais aussi de préserver la charnière latérale pendant la chirurgie. Nos résultats ont montré, grâce aux études in-vitro et in-vivo réalisées au cours de la thèse, que le guide de coupe patient-spécifique développé permet de reproduire avec précision la planification préopératoire en apportant de la sécurité au geste opératoire tant au niveau de la précision que de la préservation de la charnière latérale. / Medial Opening Wedge High Tibial Osteotomy (MOWHTO) is an efficient conservative surgical treatment for young and active patients with moderate medial gonarthrosis and varus lower limb malalignment. Varus malalignment unbalances load distribution in the knee, which is a gonarthrosis risk factor. MOWHTO aims to correct the lower limb alignment by correcting the proximal tibia bony deformity. Incomplete mediolateral cut is performed in the proximal tibia from the medial side of the tibial metaphysis towards the tibiofibular joint, and then opened by rotation around the lateral hinge which is the remaining uncut bone thickness on the lateral side. Amount of the opening depends on the importance of the proximal tibial deformity and on the medial gonarthrosis stage. MOWHTO success remains on precise correction, stable osteosynthesis system and lateral hinge preservation during the opening. Objective of this thesis was to propose a preoperative planning methodology to be associated with 3D printed patientspecific instrumentation. This instrumentation was intended to apply the correction chosen by the surgeon in the frontal and sagittal planes, but also to preserve the lateral hinge during the surgery. Our in-vitro and in-vivo results have shown that the developed patient-specific cutting guide make it possible to accurately reproduce the preoperative planning with security to the surgical gesture by bringing accuracy and lateral hinge preservation.

La sensibilité des cellules de mélanomes aux molécules de thérapies ciblées dépend du microenvironnement tumoral (interactions cellule-cellule et cellule-matrice extracellulaire). Les systèmes tridimensionnels (3D) de culture in vitro reflètent mieux l’architecture structurelle native des tissus et sont attrayants pour l’étude des interactions cellulaires. Nous avons développé et comparé plusieurs modèles de mélanome métastatique : les cellules de mélanomes (SK-MEL-28 et SK-MEL-3, mutées BRAF V600E et SK-MEL-2, BRAF sauvages) cultivées en monocouche (2D) et co-cultivées en 3D sur des équivalents de derme avec des fibroblastes, afin de mieux comprendre les facteurs modulant la sensibilité cellulaire à un inhibiteur de BRAF (BRAFi, Vémurafenib) et au Vémurafenib associé à un inhibiteur de MEK (MEKi, Cobimetinib). La sensibilité cellulaire aux traitements a été évaluée sous différents aspects : prolifération cellulaire (numération cellulaire, incorporation d'EdU, test MTS), analyse des voies de signalisation MAPK et PKB / Akt (Western-blot), apoptose (TUNEL), libération de cytokines et de facteurs de croissance (ELISA) et histologie (modèles 3D). Un effet cytostatique de BRAFi a été observé sur les cellules SK-MEL-28 et SK-MEL-3 cultivées dans les modèles 2D et 3D. La lignée cellulaire SK-MEL-2 était résistante au BRAFi lorsqu'elle a été cultivée en monocouche, mais sensible lorsqu'elle a été co-cultivée avec des fibroblastes incorporés dans une matrice de collagène de type I. Les milieux conditionnés par les fibroblastes 3D (équivalents de derme) ont sensibilisé les cellules SK-MEL-2 (2D) au BRAFi. L'analyse des surnageants de culture cellulaire a révélé que les équivalents de derme libéraient certains facteurs solubles (IL-6, IL-8, HGF, TGF-β) : ces sécrétions ont été modifiées au cours du traitement par Vémurafenib. La combinaison du traitement avec MEKi a renforcé l'action du Vémurafenib sur les cellules de mélanomes métastatiques tout en diminuant la capacité de prolifération des fibroblastes. Des populations de cellules contenant des cellules de mélanomes ou des fibroblastes associés au cancer (CAFs) ont été isolées à partir d'une biopsie de métastase cutanée provenant d'une patiente atteinte d'un mélanome métastatique. Ces cellules ont permis de réaliser des modèles de mélanome métastatique patient-spécifique afin d’étudier in vitro la sensibilité des cellules de la patiente aux traitements dans un microenvironnement tumoral (sécrétion paracrine de cellules stromales et matrice de collagène). Ces modèles prédictifs 3D patient-spécifique pourront être utilisés pour déterminer des stratégies de thérapies personnalisées, ainsi que pour comprendre les phénomènes de résistance des cellules de mélanomes aux traitements. / Melanoma cell sensitivity to targeted therapy molecules is dependent on the tumor microenvironment (cell-cell and cell-extracellular matrix interactions). Three dimensional (3D) in vitro cell culture systems better reflect the native structural architecture of tissues and are attractive to investigate cellular interactions. We have developed and compared several metastatic melanoma models: melanoma cells (SK-MEL-28 and SK-MEL-3, BRAF V600E mutant and SK-MEL-2 BRAF wt) cultured as a monolayer (2D) and co-cultured on 3D dermal equivalents with fibroblasts to better unravel factors modulating cell sensitivity to a BRAF inhibitor (BRAFi, Vemurafenib) and a BRAFi combined with a MEK inhibitor (MEKi, Cobimetinib). Cell sensitivity to treatments was evaluated under various aspects: cell proliferation (cell counting, EdU incorporation, MTS assay), MAPK and PKB/Akt signaling pathway analysis (Western-blotting), apoptosis (TUNEL), cytokine and growth factor release (ELISA) and histology (3D models). A cytostatic effect of BRAFi was observed on SK-MEL-28 and SK-MEL-3 cells in both models. SK-MEL-2 cell line was clearly resistant to BRAFi when cultured as a monolayer but not when co-cultured with 3D fibroblasts embedded in a type I collagen matrix. Conditioned media provided by 3D fibroblasts (dermal equivalents) underlined 2D SK-MEL-2 sensitivity to BRAFi. Cell culture supernatant analysis revealed that dermal equivalents released some soluble factors (IL-6, IL-8, HGF, TGF-β): these secretions were modified during vemurafenib treatment. The combination of treatment with MEKi enhances the action of Vemurafenib on metastatic melanoma cells while decreasing the proliferation capacity of fibroblasts. Cell populations containing melanoma cells or fibroblasts associated with cancer (CAFs) were isolated from a cutaneous metastasis biopsy of a patient with metastatic melanoma. These cells allowed the realization of patient-specific models of metastatic melanoma in order to study in vitro the sensitivity of the patient’s melanoma cells to treatments in a tumor microenvironment (paracrine secretion of stromal cells and collagen matrix). These 3D predictive patient-specific models could be used to determine personalized therapy strategies, as well as to understand the resistance phenomena of melanoma cells to treatments