L’imagerie in vivo du petit animal est de plus en plus utilisée en pharmacologie pour identifier et caractériser l’activité de nouveaux agents anticancéreux.La première partie de ma thèse a consisté à développer des outils pour améliorer la quantification enbioluminescence. Une méthode, basée sur les caractéristiques spectrales des photons émis, a été établie pour corriger l’absorption tissulaire. La seconde, faisant appel aux méthodes de restauration d’images, avait pour but de corriger la diffusion pour augmenter la résolution. Dans un second temps, j’ai mis en place des modèles in vivo de tumeurs expérimentales bioluminescentes (un glioblastome intracérébral, un lymphome anaplasique à grandes cellules et un neuroblastome métastatique) en utilisant les méthodes d’imagerie décrites précédemment. Ces études ont permis d’étendre la caractérisation de l’activité préclinique d’un nouvel agent anticancéreux. L’objectif de la dernière partie de mon travail était de développer des sondes d’imagerie. La première sonde, un anticorps monoclonal anti-CD45 marqué avec un fluorochrome a permis la détection de cellules leucémiques humaines implantées chez la souris en utilisant l’imagerie de fluorescence. La seconde a été développée pour prédire l’entrée d’un agent anticancéreux, un conjugué spermine-podophyllotoxin, dans les cellules tumorales via les transporteurs des polyamines. La sonde synthétisée est une spermine à laquelle un groupement HYNIC a été ajouté afin de pouvoir lier un radioisotope : le Technétium 99m et ainsi réaliser un examen scintigraphique. Les résultats ont démontré la faisabilité d’une application préclinique de cette sonde. Ainsi à l’issu de cette thèse, les méthodes de traitement des signaux de bioluminescence développées sont disponibles pour améliorer l’application de l’imagerie optique en pharmacologie. Bien sûr des études supplémentaires sont encore nécessaires pour définir précisément dans quel contexte ces corrections seront les plus appropriées. / Small animal imaging is more and more used in pharmacology to identify and to characterize the activities of new antitumor agents. The first part of my thesis consisted in the development of new tools to improve the quantitation in bioluminescence. A method, based on spectral characteristics of emitted photons, has been established to correct tissue absorption. The second, using methods of image restoration had for objective to correct tissue scattering to increase the resolution. In a second part, I developed in vivo models of bioluminescent tumors (intracranial glioblastoma, a large cell anaplastic lymphoma and a metastatic neuroblastoma) using the imaging methods described previously. These studies allowed the characterization of the activity of a new antitumor agent. The aim of the last part was to develop imaging probes. The first, a monoclonal antibody antiCD45 labeled with a fluorochrome allowed the detection of human leukemic cells implanted in the mice using fluorescence imaging. The second was developed to predict the uptake of a antitumor agent, a spermine-podophyllotoxin conjugate, in tumor cells via the polyamine transport system. The synthesized probe is a spermine conjugated to a HYNIC group to bind a radioisotope: the Technetium 99m and to realize a scintigraphic examination. The results showed the feasibility of a preclinical use of this probe. So, at this end of this thesis, the developed methods of bioluminescent signal processing are available to improve the use of optical imaging in pharmacology. Of course, supplementary studies are necessary to define precisely in which context these corrections will be the most appropriate.

Cette thèse est consacrée au traitement d’images de bioluminescence chez le petit animal. Ce type d’imagerie, bien qu'utilisé en routine pour la recherche en cancérologie par exemple, présente néanmoins des problèmes liés aux phénomènes de diffusion et d'absorption par les tissus internes à l'animal. Il s'ajoute à cela le bruit du système d'acquisition ainsi que le bruit lié aux rayonnements cosmiques. Ceci influe sur la qualité des images acquises et rend leur exploitation délicate. Le but de cette thèse est de compenser ces effets perturbateurs. Les travaux menés ont abouti à la proposition d’un modèle de formation des images de bioluminescence ainsi qu’à une chaîne de traitement adaptée composée d’une étape de filtrage suivie d’une étape de déconvolution. Après étude de la nature des différents bruits liés à l'acquisition, nous avons mis au point un nouveau filtre médian pour la suppression du bruit impulsionnel aléatoire présent sur les images acquises ; ce filtre représente le premier bloc de la chaîne proposée. Pour l'étape de déconvolution, nous avons mené une étude comparative de différents algorithmes de déconvolution. Cela a conduit à choisir un algorithme de déconvolution aveugle initialisé avec la réponse impulsionnelle estimée du système d'acquisition. Nous avons validé notre approche globale en comparant les résultats à la réalité terrain. Au travers de différents essais cliniques, nous avons montré que le traitement que nous proposons permet une amélioration significative de la mesure des sources bioluminescentes et une meilleure distinction de sources très proches, ce qui représente un apport non négligeable pour les utilisateurs d'images de bioluminescence. / This thesis is devoted to the analysis of bioluminescence images applied to the small animal. This kind of imaging modality is used in cancerology studies. Nevertheless, some problems are related to the diffusion and the absorption of the tissues of the light of internal bioluminescent sources. In addition, system noise and the cosmic rays noise are present. This influences the quality of the images and makes it difficult to analyze. The purpose of this thesis is to overcome these disturbing effects. We first have proposed an image formation model for the bioluminescence images. The processing chain is constituted by a filtering stage followed by a deconvolution stage. We have proposed a new median filter to suppress the random value impulsive noise which corrupts the acquired images; this filter represents the first block of the proposed chain. For the deconvolution stage, we have performed a comparative study of various deconvolution algorithms. It allowed us to choose a blind deconvolution algorithm initialized with the estimated point spread function of the acquisition system. At first, we have validated our global approach by comparing our obtained results with the ground truth. Through various clinical tests, we have shown that the processing chain allows a significant improvement of the spatial resolution and a better distinction of very close tumor sources, what represents considerable contribution for the users of bioluminescence images.

Ce mémoire porte sur l'évaluation et l'amélioration des performances du premier appareil commercial de Tomographie d'Émission par Positrons (TEP) pour petits animaux basé sur des détecteurs à photodiode avalanche (PDA) et une électronique de traitement entièrement numérique. Cet appareil est la version améliorée d'un premier prototype TEP basé sur les PDA datant de 1995. Cette nouvelle version a été conçue sur une plateforme électronique numérique pour améliorer à la fois la résolution spatiale, permettant de détecter de plus petites structures chez la souris, et la sensibilité afin d'injecter une dose de radiotraceur plus faible à l'animal. Le but d'utiliser une électronique numérique était d'augmenter la flexibilité du traitement des signaux pour l'adapter selon de nouvelles applications. Afin de vérifier toutes ces caractéristiques potentielles, nous avons effectué une évaluation systématique et exhaustive des performances de ce nouveau scanner (désigné sous le sigle commercial « LabPET ») pour l'application en imagerie moléculaire. Des procédures d'ajustement automatique de plusieurs paramètres du scanner, dont la tension de polarisation des détecteurs PDA dans les conditions optimales d'opération, ont été mises au point pour faciliter l'étalonnage du grand nombre de détecteurs (1536 ou 3072 selon la version du scanner). Une technique pour normaliser les délais temporels de chaque détecteur a permis d'améliorer les performances temporelles du scanner et la qualité d'image. Cette technique a aussi servi à caractériser de façon individuelle les détecteurs au niveau de leur résolution en temps, ce qui permet de connaître leurs performances et de suivre leur possible dégradation à long terme. Par la suite, les performances de l'appareil pour l'imagerie, telles que la résolution spatiale et temporelle, la résolution en énergie, la sensibilité, le temps mort et le taux de comptage, ont été mesurées en suivant dans la mesure du possible les recommandations des normes de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) pour l'évaluation d'appareils d'imagerie. De plus, des balises pour l'élaboration de protocoles d'acquisition ont été établies afin d'obtenir des images optimales. Pour ce faire, une caractérisation plus exhaustive de la qualité d'image à l'aide de mires et d'images de rats et de souris a été réalisée. Deux appareils avec champ axial de 3.75 et 7.5 cm ont été caractérisés dans le cadre de ce projet de maîtrise. À la suite de toutes les améliorations apportées à l'appareil et à la lumière des résultats obtenus, la plupart des concepts utilisés pour la fabrication de l'appareil ont conduit à des images de qualité supérieure.

Au cours des dernières années, la tomographie d'émission par positrons (TEP) s'est imposée comme l'outil diagnostique par excellence pour déceler la présence de tumeurs et caractériser leur statut métabolique. Comme les images TEP souffrent généralement d'une localisation anatomique imprécise, le diagnostic est d'autant plus fiable lorsque l'information fonctionnelle et moléculaire fournie par la TEP peut être complétée par l'information anatomique détaillée obtenue par une autre modalité d'imagerie comme la tomodensitométrie (TDM) ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'émergence de l'imagerie multi-modale TEP/TDM (ou"PET/CT") permet d'obtenir, à tour de rôle, l'information anatomique et métabolique du patient en effectuant successivement les examens TDM et TEP sans avoir à déplacer le patient d'une salle à l'autre, ce qui facilite beaucoup les procédures de recalage d'images. Toutefois, il peut arriver, vu le déplacement du lit du patient d'un scanner à l'autre, que le patient bouge volontairement ou involontairement (mouvement péristaltique, cardiaque ou pulmonaire), ce qui cause des imprécisions dans les images fusionnées. Afin d'éviter ce problème, un simulateur TEP/TDM reposant sur un système de détection commun, celui du scanner LabPET(TM), a été développé. Détectant à la fois le rayonnement émis par le radiotraceur utilisé en TEP et les rayons-X de plus faible énergie utilisée en TDM, des images TEP/TDM ont été obtenues sans aucun déplacement du sujet. Pour obtenir ces images, des algorithmes numériques de traitement de signal ont été développés afin de diminuer l'empilement de signaux et ainsi mieux discerner les photons incidents du niveau de bruit électronique. De plus, des algorithmes de reconstruction d'images adaptés à la géométrie du simulateur ont été développés. Les résultats obtenus ont démontré qu'il est possible d'obtenir, avec relativement peu de radiations ionisantes, des images anatomiques avec un contraste suffisant pour l'imagerie moléculaire. Cependant, la résolution spatiale obtenue avec cet appareil n'était pas suffisante pour bien identifier les structures anatomiques fines chez la souris (le modèle animal par excellence en recherche biomédicale). Le détecteur LabPET II, dont les pixels font 1.2 × 1 2 mm[indice supérieur 2] a donc été développé afin d'atteindre une résolution submillimétrique en imagerie TEP et de l'ordre de 500 [micro]m en imagerie TDM. Fabriqué à partir de deux matrices de photodiodes avalanches, ce détecteur comptant 64 canaux d'acquisition individuels a été caractérisé ainsi que son électronique. Le rehaussement du simulateur avec ces détecteurs permettra de construire sous peu le premier appareil TEP/TDM avec un nouveau système de détection. Les applications de ce type d'appareil en recherche sur modèle animal sont nombreuses et diversifiées : étude de la croissance normale, étude de l'évolution des maladies et évaluation de l'efficacité des thérapies, développement de produits radiopharmaceutiques, etc.... Chez l'humain, l'approche TEP/TDM combinée proposée permettra d'améliorer la détection précoce des cancers et de faciliter le suivi des patients sous thérapie grâce à une réduction importante des doses de radiations.

L'objectif de cette thèse a été de développer et d'utiliser une nouvelle classe de sondes optiques ayant des propriétés de luminescence persistante. La luminescence persistante, plus connue du grand public sous le terme phosphorescence, est la propriété que possèdent certains matériaux de continuer à émettre de la lumière après la fin de l'excitation. <br /><br />Le développement rapide de nombreuses techniques d'imagerie durant les dernières décennies (IRM, écho-doppler, scanner, PET...) répond à un besoin croissant d'images des biologistes et des médecins . De la simplification des travaux expérimentaux à une détection précoce de maladies, une dynamique s'est créée autour des recherches en imagerie. Chaque technique possède avantages et inconvénients, rendant ainsi complémentaires l'ensemble des imageries. <br /><br />L'imagerie optique est un domaine en pleine expansion avec des retombées directes en pharmacologie, dans le développement d'outils d'aide au diagnostique et de recherches en biologie moléculaire et cellulaire. Malgré une utilisation toujours croissante de la fluorescence dans des études in vivo, cette technique souffre toutefois de limitations dues notamment à l'autofluorescence des tissus et à la faible pénétration de la lumière excitatrice. Ces contraintes limitent la capacité à imager des tissus profonds <br /><br />Pour pallier à ces contraintes, un procédé basé sur l'utilisation de nanomatériaux à luminescence persistante (phénomène communément appelé phosphorescence) a été développé. Ces particules présentent l'avantage de pouvoir être excitées préalablement à l'injection dans le milieu biologique et de pouvoir émettre de la lumière durant plusieurs heures. Ceci permet d'éviter l'excitation des sondes à l'intérieur de l'animal, supprimant ainsi les problèmes d'autofluorescence des tissus.<br /><br />En utilisant ces sondes en imagerie du petit animal, nous avons montré qu'il est possible de suivre la biodistribution des nanoparticules en temps réel pendant plus d'une heure sans recourir à une quelconque excitation externe. Des modifications chimiques de surface nous ont permis d'étudier les différences de biodistribution des nanoparticules selon leurs charges de surface (positives, négatives ou neutres). Des expériences portant sur la localisation de tumeurs chez la souris ont également été réalisées avec succès.

Faire appel à la micro imagerie par résonance magnétique (IRM), pour étudier des pathologies chez l'homme (peau et articulations périphériques) ou sur le petit animal, à un intérêt considérable en recherche biomédicale. Mais cette technique est confrontée à un réel manque de sensibilité. L'amélioration du détecteur radiofréquence (RF), en développant des petites antennes de surface, est un moyen efficace de faire reculer les limites de résolution spatiale en conservant un rapport signal sur bruit (RSB) élevé. <br />Dans ce contexte, des antennes miniatures en cuivre micromoulé ou en céramique supraconductrice ont été conçues sur le principe des lignes de transmission et fabriquées par micro technologie. Nous les avons caractérisées électriquement et en imagerie afin d'évaluer leur performance. <br />Nous avons poursuivi l'exploration de plusieurs applications biomédicales ouvertes par l'utilisation d'une antenne supraconductrice à 1,5T, qui est l'intensité de champ la plus courante en IRM. Cette approche a permis d'accéder à des résolutions spatiales de (60 µm)3 <br />isotrope sur des régions explorées telles que les zone périphériques du corps humain ou sur différents sites de la souris, avec des RSB 4 à 15 fois supérieurs à ceux obtenus avec une structure analogue en cuivre à température ambiante. D'après la théorie de Hoult-Lauterbur, un gain en RSB comparable serait obtenu avec un détecteur RF conventionnel au prix d'une <br />augmentation considérable de l'intensité du champ, entre 4 et 14 T. <br />Les résolutions ainsi accessibles sont comparables à celles couramment obtenues avec des équipements d'IRM haut champ, plus coûteux et de mise en œuvre complexe. Dans certains domaines de la recherche biomédicale, l'utilisation des antennes supraconductrices pourrait être envisagée comme une alternative aux hauts champs.

Résumé: L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil de choix en clinique pour la détection des maladies cardiovasculaires. Ses résolutions spatiale et temporelle élevées en font une technique fiable pour l'évaluation de la structure, de la fonction, de la perfusion ou encore de la viabilité du muscle du myocarde. Les modèles animaux, et plus particulièrement le rat et la souris transgénique, sont de plus en plus utilisés pour étudier les gènes et les mécanismes biologiques mis en cause dans les maladies cardiaques. L'IRM est devenue la méthode de référence pour l'étude non-invasive de ces modèles, et ce malgré des différences physiologiques comme la fréquence cardiaque élevée (jusqu'à 600 battements par minute chez la souris) ou la taille de l'animal qui rendent l'acquisition d'images plus ardue que dans le cadre clinique. Cependant, il est possible d'obtenir des images de bonne qualité grâce aux appareils dédiés à haut Champ, à des nouvelles stratégies de synchronisation des acquisitions et à l'utilisation de séquences d'impulsions optimisées pour l'imagerie du petit animal. Les travaux rapportés dans ce mémoire portent sur la mise en place de ces techniques sur l'appareil IRM 7 T du Centre d'Imagerie Moléculaire de Sherbrooke (CIMS). Nous donnons un aperçu des possibilités offertes par l'IRM cardiaque chez le petit animal, puis nous présentons le matériel et les méthodes utilisées pour réaliser l'étude de la fonction cardiaque chez le rat avec l'imagerie cinématique. Dans cette étude, nous proposons l'utilisation d'une technique de débruitage afin d'améliorer l'évaluation quantitative des paramètres de la fonction cardiaque. Enfin, nous détaillons le développement de deux séquences d'impulsions appliquées à un modèle d'infarctus du myocarde chez le rat : une séquence d'inversion-récupération pour l'imagerie de rehaussement tardif au gadolinium et une séquence de préparation T2 pour l'imagerie de pondération T2. // Abstract: Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a clinically valuable tool for the detection of cardiovascular diseases. Its high temporal and spatial resolutions have established it as a reliable technique for assessment of cardiac structure, fonction, perfusion, and myocardial viability. Animal models, and particularly rats and transgenic mice, are increasingly used for the study of genes and biological mechanisms involved in heart diseases. MRI has become the gold-standard for the non-invasive examination of these models, despite physiological differences such as the rapid heart rate (up to 600 beats per minute for the mouse) and the animal size, that make its application more challenging than clinical imaging. However, high-quality images can be obtained with dedicated high-field MRI scanners, novel gating strategies and optimised pulse sequences. The work reported in this thesis consists in the implementation of these techniques on the dedicated 7 T MRI scanner at the Sherbrooke Molecular Imaging Center. We first provide an overview of the possibilities offered by cardiac MRI in small animals, then we present the material and methods for the study of cardiac function in rats with cine-imaging. In this study, we propose the use of a denoising technique as a way to improve the evaluation of global cardiac function parameters. Finally, we explain in detail the development of two pulse sequences for their application in a myocardial infarction model : an inversion-recovery sequence for late gadolinium enhancement imaging and a T2-prepared sequence for T2-weighted imaging.

L'imagerie in vivo du petit animal est de plus en plus utilisée en pharmacologie pour identifier et caractériser l'activité de nouveaux agents anticancéreux.La première partie de ma thèse a consisté à développer des outils pour améliorer la quantification enbioluminescence. Une méthode, basée sur les caractéristiques spectrales des photons émis, a été établie pour corriger l'absorption tissulaire. La seconde, faisant appel aux méthodes de restauration d'images, avait pour but de corriger la diffusion pour augmenter la résolution. Dans un second temps, j'ai mis en place des modèles in vivo de tumeurs expérimentales bioluminescentes (un glioblastome intracérébral, un lymphome anaplasique à grandes cellules et un neuroblastome métastatique) en utilisant les méthodes d'imagerie décrites précédemment. Ces études ont permis d'étendre la caractérisation de l'activité préclinique d'un nouvel agent anticancéreux. L'objectif de la dernière partie de mon travail était de développer des sondes d'imagerie. La première sonde, un anticorps monoclonal anti-CD45 marqué avec un fluorochrome a permis la détection de cellules leucémiques humaines implantées chez la souris en utilisant l'imagerie de fluorescence. La seconde a été développée pour prédire l'entrée d'un agent anticancéreux, un conjugué spermine-podophyllotoxin, dans les cellules tumorales via les transporteurs des polyamines. La sonde synthétisée est une spermine à laquelle un groupement HYNIC a été ajouté afin de pouvoir lier un radioisotope : le Technétium 99m et ainsi réaliser un examen scintigraphique. Les résultats ont démontré la faisabilité d'une application préclinique de cette sonde. Ainsi à l'issu de cette thèse, les méthodes de traitement des signaux de bioluminescence développées sont disponibles pour améliorer l'application de l'imagerie optique en pharmacologie. Bien sûr des études supplémentaires sont encore nécessaires pour définir précisément dans quel contexte ces corrections seront les plus appropriées.

Cette thèse est consacrée au traitement d'images de bioluminescence chez le petit animal. Ce type d'imagerie, bien qu'utilisé en routine pour la recherche en cancérologie par exemple, présente néanmoins des problèmes liés aux phénomènes de diffusion et d'absorption par les tissus internes à l'animal. Il s'ajoute à cela le bruit du système d'acquisition ainsi que le bruit lié aux rayonnements cosmiques. Ceci influe sur la qualité des images acquises et rend leur exploitation délicate. Le but de cette thèse est de compenser ces effets perturbateurs. Les travaux menés ont abouti à la proposition d'un modèle de formation des images de bioluminescence ainsi qu'à une chaîne de traitement adaptée composée d'une étape de filtrage suivie d'une étape de déconvolution. Après étude de la nature des différents bruits liés à l'acquisition, nous avons mis au point un nouveau filtre médian pour la suppression du bruit impulsionnel aléatoire présent sur les images acquises ; ce filtre représente le premier bloc de la chaîne proposée. Pour l'étape de déconvolution, nous avons mené une étude comparative de différents algorithmes de déconvolution. Cela a conduit à choisir un algorithme de déconvolution aveugle initialisé avec la réponse impulsionnelle estimée du système d'acquisition. Nous avons validé notre approche globale en comparant les résultats à la réalité terrain. Au travers de différents essais cliniques, nous avons montré que le traitement que nous proposons permet une amélioration significative de la mesure des sources bioluminescentes et une meilleure distinction de sources très proches, ce qui représente un apport non négligeable pour les utilisateurs d'images de bioluminescence.

La tomographie par émission de positrons est une technique d’imagerie nucléaire utilisant des noyaux radioactifs. Elle est utilisée dans le domaine clinique et préclinique. Cette dernière nécessite l’utilisation de petits animaux, comme la souris. Comme en imagerie clinique, l’objectif est d’obtenir le meilleur signal avec la meilleure précision spatiale possible. Cependant, un rapport d’échelle homme-souris suggère une résolution inférieure à 1 mm3. Un imageur conventionnel est constitué de modules de détection entourant le patient, orientés radialement. Cette approche lie efficacité et résolution spatiale. Ce travail concerne l’étude de la géométrie axiale. Les éléments de détection sont ici orientés parallèlement à l’objet. Ceci limite la corrélation entre efficacité de détection et résolution spatiale, et ainsi permet d’obtenir une haute résolution et haute sensibilité. La simulation de prototypes a permis d’envisager une résolution spatiale moyenne inférieure au millimètre et une efficacité de 15 ou 40% selon l’extension axiale. Ces résultats permettent de présager de bonnes perspectives en imageries préclinique et clinique. / Positrons emission tomography is a nuclear imaging technics using nuclear decays. It is used both in clinical and preclinical studies. The later requires the use of small animals such as the mouse. The objective is to obtain the best signal with the best spatial resolution. Yet, a weight ratio between humans and mice indicates the need of a sub-millimeter resolution. A conventional scanner is based on detection modules surrounding the object to image and arranged perpendicularly. This implies a strong relationship between efficiency and spatial resolution. This work focuses on the axial geometry in which detection modules are arranged parallel to the object. This limits the relationship between the figures of merit, leading to both high spatial resolution and efficiency. The simulations of prototypes showed great perspectives in term of sub-millimeter resolution with efficiencies of 15 or 40% according to the scanner’s axial extension. These results indicate great perspectives for both clinical and preclinical imaging.