This study compared a manual program for liver volumetry with a semiautomated software. The hypothesis was that the software would be faster, more accurate and less dependent on the evaluator’s experience. Materials and Methods: Ten patients undergoing hemihepatectomy were included into this IRB approved study after written informed consent. All patients underwent a preoperative abdominal CTScan, which was used for whole liver volumetry and volume prediction for the liver part to be resected. Two different softwares were used: 1) manual method: borders of the liver had to be defined per slice by the user; 2) semiautomated software: automatic identification of liver volume with manual assistance for definition of Couinaud-segments. Measurements were done by six observers with different experience levels. Water displacement volumetry immediately after partial liver resection served as gold standard. The resected part was examined with a CT-scan after displacement volumetry. Results: Volumetry of the resected liver scan showed excellent correlations to water displacement volumetry (manual: ρ=0.997; semiautomated software: ρ=0.995). Difference between the predicted volume and the real volume was significantly smaller with the semiautomated software than with the manual method (33 % vs. 57 %, p=0.002). The semiautomated software was almost four times faster for volumetry of the whole liver. Conclusion: Both methods for liver volumetry give an estimated liver volume close to the real one. The tested semiautomated software is faster, more accurate in predicting the volume of the resected liver part, gives more reproducible results and is less dependent on the user’s experience. / Ziel dieser Studie war es, eine manuelle Methode zur Lebervolumetrie mit einer halbautomatischen Software zu vergleichen. Die zu prüfende Hypothese war eine Überlegenheit der halbautomatischen Software hinsichtlich Schnelligkeit, Genauigkeit und Unabhängigkeit von der Erfahrung des Auswerters. Material und Methoden: Die Studie wurde von der Ethikkommission geprüft und es lagen Einverständniserklärungen aller Patienten vor. In die Studie wurden zehn Patienten eingeschlossen, die eine Hemihepatektomie erhielten. Es wurde präoperativ ein CT-Scan angefertigt, der sowohl für die Volumetrie der gesamten Leber als auch zur Bestimmung des Resektatvolumens verwendet wurde. Für die Volumetrie wurden zwei verschiedene Programme genutzt: 1) eine manuelle Methode, wobei die Lebergrenzen in jeder Schicht vom Auswerter definiert werden mussten 2) eine halbautomatische Software mit automatischer Erkennung des Lebervolumens und manueller Definition der Lebersegmente nach Coinaud. Die Messungen wurden von sechs Auswertern mit unterschiedlicher Erfahrung vorgenommen. Als Goldstandard diente eine Verdrängungsvolumetrie des Leberresektats, die direkt nach der Resektion im Operationssaal durchgeführt wurde. Anschließend wurde zusätzlich ein CT-Scan des Resektats angefertigt. Ergebnisse: Die Ergebnisse des postoperativen CT-Scans korrelierten hochgradig mit den Ergebnissen der Verdrängungsvolumetrie (manuell: ρ=0.997; halbautomatische Software: ρ=0.995). Mit der halbautomatischen Software fielen die Unterschiede zwischen dem vorhergesagten und dem tatsächlichen Volumen signifikant kleiner aus (33 % vs. 57 %, p=0.002). Zudem lieferte die halbautomatische Software die Volumina der Gesamtleber 3.9mal schneller. Schlussfolgerung: Beide Methoden erlauben eine sehr gute Abschätzung des Lebervolumens. Die getestete halbautomatische Software kann das Lebervolumen jedoch schneller und das Resektatvolumen genauer vorhersagen und ist zusätzlich unabhängiger von der Erfahrung des Auswerters.

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L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil de choix pour la caractérisation tissulaire in vivo. Il est démontré que la mesure d’un temps caractéristique en IRM, appelé « T1 », est corrélée à la composition du tissu. Justesse et reproductibilité sont requises dans la mesure du T1 pour : i) discriminer les valeurs de T1 des tissus sains et fibrosés dont la gamme de valeurs est assez restreinte, ii) permettre la mesure avant et après injection d’agent de contraste et iii) comparer les valeurs de T1 entre sites et constructeurs. A ce jour, aucune des techniques publiées n’est en mesure de fournir une mesure de T1 « idéale ». L’objectif principal de cette thèse est d’optimiser et de valider une technique de mesure du T1 sur le myocarde, qui se propose d’allier ces deux qualités. Pour atteindre cet objectif, nous avons travaillé la séquence appelée « SMART1Map » basée sur le principe d’échantillonnage d’une courbe de saturation-récupération. Des essais sur objets tests et sur volontaires à 1,5T et 3T ont d’abord été réalisés. Bien que les valeurs moyennes de T1 mesurées chez 7 sujets étaient justes et correspondaient à la littérature (1150 ± 84 ms à 1,5T), les résultats ont montré une faible reproductibilité imputable en partie à un manque de robustesse de la séquence vis-à-vis des inhomogénéités de champ magnétique particulièrement importantes à 3T. L’optimisation (simulation, implémentation et tests) de l’impulsion radiofréquence de saturation constitutive de la séquence a été mise en œuvre à 3T, sur objets fantômes, puis sur volontaires sains. Ces travaux ouvrent la voie à la mise en place de mesure de biomarqueur IRM de la fibrose / Cardiac Magnetic Resonance Imaging (MRI) has experienced growing interest due to its great potential in myocardial tissue characterization. Myocardium T1 values can be considered a useful imaging biomarker. Although many different T1 mapping techniques already exist, accurate and precise myocardial T1 quantification remains a desired yet challenging goal. Cardiac T1 mapping necessitates high precision to: i) discriminate values within the relatively short range of T1 values in healthy and diseased tissues, ii) allow both pre and post contrast agent injection T1 assessment, which is mandatory to compute the ECV and iii) allow comparison across platforms and hospitals. It should also provide a T1 value independent of heart rate. Among published methods, not any of them offer an “ideal” T1 quantification method. The main aim of this work is to optimize and to validate a precise and accurate quantitative T1 mapping technique. In order to achieve this goal, the sequence called « SMART1Map » based on the saturation recovery curve sampling was used. The first step consisted in performing T1 measurements on phantoms and healthy volunteers at 1,5T and 3T. Although this study allowed to assess accurate myocardium T1 values close to literature ones (1150 ± 84 ms), the sequence showed a poor precision likely due to a lack of robustness to magnetic field inhomogeneties and frequency offsets. Optimization (including simulation, implementation and tests) of the saturation RF pulse used in the sequence was carried out in phantoms then on healthy subjects at 3T. From this development, fibrosis detection through T1 measurements in clinical studies can now be started at 1.5T and 3T

L’assistance ventriculaire constitue une voie thérapeutique prometteuse de l’insuffisance cardiaque terminale. En dépit des progrès, notamment dans le développement des assistances de type shunt ventriculo-aortique, les écueils relatifs à l’encombrement, à l’alimentation et/ou aux interactions avec le sang de ces dispositifs limitent leur application clinique. Récemment, le concept de Compression Cardiaque Directe (DCC) apparaît comme une piste prometteuse en palliant les difficultés sus-citées. Dans ce travail de thèse, nous avons mis l’accent sur la conception et le test de faisabilité d’une solution de Compression Cardiaque Directe de type mécanique et entièrement implantable appelée l’Exosquelette Cardiaque. Notre travail expérimental a porté, dans un premier temps, sur la conception assistée par ordinateur et sur la modélisation numérique permettant ainsi d’optimiser et de prédire (i) les interactions tissus myocardiques/dispositifs et (ii) les pressions ventriculaires générées. Ensuite, un prototype fonctionnel a été réalisé par fabrication additive (titane, polymères) en s’appuyant sur les données issues de la modélisation et en respectant les contraintes énergétiques, mécaniques et architecturales anatomiques. Enfin, nous avons conduit une phase d’évaluation du potentiel de ce dispositif original sur un modèle de cœur ex vivo. Nous avons pu concevoir et valider un modèle numérique fondé sur le principe des éléments finis. Ce modèle à la fois simple et robuste, a permis de simuler (i) l’impact des points de fixation du dispositif sur le tissu cardiaque, (ii) l’efficacité de la compression externe sur la genèse des pressions intraventriculaires et (iii) l’influence de la compression mécanique externe sur le tissu cardiaque. Le prototype issu de ce travail de thèse a pu produire des résultats prometteurs concernant (i) la restauration physiologique de la pression intraventriculaire, (ii) la consommation énergétique suffisamment basse et (iii) le design compatible avec les contraintes anatomiques thoracique. L’ensemble de ces résultats esquissent la possibilité d’une implantation totale de l’Exosquelette Cardiaque chez le patient / Ventricular assistance is a promising therapeutic pathway for terminal chronic heart failure. Notwithstanding the progress made for the development of aorto-ventricular shunt pump among other things, the difficulties relatives to footprint, power supply and/or blood-device interactions are somehow limiting their clinical applications. Recently, direct cardiac compression (DCC) was suggested as a promising lead to overcome the difficulties mentioned above. In this work, we focused on the design and the feasibility of an implantable and mechanical Direct Cardiac Compression device called: The Cardiac Exosqueleton. Our experimental work used Computer Assisted Design (CAD) and numerical modeling to optimize and predict (i) tissue-device interactions and (ii) pressure generation inside ventricular cavities. Then, a functional prototype was realized by additive manufacturing (titanium, polymer) with the help of modeling data and with respect to the anatomical, mechanical and energetical limitations. Finally, we conducted an evaluation of the ability of our device on both in vitro setup and ex vivo heart. We were able to conceive and validate a numerical model based on finite element techniques. This simple yet robust model allowed us to study (i) the impact of suture fixation of a device at the apex of the heart, (ii) the influence of the direct cardiac compression on intracardiac pressures and (iii) overall and local tissue stress in the myocardium. Our prototype showed promising results concerning (i) the restoration of physiological intraventricular pressures, (ii) a low energy consumption and (iii) a shape that is compatible with the thoracic anatomical constraints. All of these results allow us to envision a total implantation of the cardiac exoskeleton into the patient

Les quantités physiques des tissus imagés par tomodensitométrie peuvent être calculées à l’aide d’algorithmes de caractérisation de tissus. Le développement de nouvelles technologies d’imagerie par tomodensitométrie spectrale a stimulé le domaine de la caractérisation de tissus à un point tel qu’il est maintenant difficile de comparer les performances des multiples algorithmes de caractérisation de tissus publiés dans les dernières années. De même, la difficulté à comparer les performances des algorithmes de caractérisation de tissus rend leur utilisation dans des projets de recherche clinique difficile. Ce projet a comme but de créer un environnement de simulation robuste et fidèle à la réalité dans lequel des techniques de caractérisation de tissus pourront être développées et comparées. De plus, la librairie de calcul servira comme tremplin pour facilement appliquer des méthodes de caractérisation de tissus dans des collaborations cliniques. En particulier, une des méthodes de caractérisation de tissus incluse dans la librairie de calcul sera appliquée sur des données cliniques pour produire des cartes de concentration d’iode dans le cadre d’un projet de recherche sur la récurrence de cancers otorhinolaryngologiques. De surcroît, deux autres techniques de caractérisation de tissus et un algorithme de correction d’artefacts de durcissement de faisceau seront implémentés dans la librairie de calcul scientifique. Conjointement, un module pour la simulation de patients virtuels sera dévelopé et intégré à la librairie de calcul. / The physical quantities of tissues imaged by computed tomography can be calculated using tissue characterization algorithms. The development of new spectral computed tomography scanners stimulated the field of tissue characterization to such an extent that it is now difficult to compare the performances of the multiple tissue characterization algorithms available in the literature. In addition, the difficulty in comparing the tissue characterization algorithms’ performances makes it difficult to include them in clinical research projects. The goal of this project is to create a robust and physically accurate simulation environment in which tissue characterization algorithms can be developed and compared. Furthermore, the scientific computing library will serve as a springboard to easily apply tissue characterization methods in clinical collaborations. In particular, one of the tissue characterization methods included in the scientific computing library will be applied on clinical data to produce iodine concentration maps for a clinical research project on head and neck cancer recurrence. Moreover, two additional tissue characterization algorithms and a technique for the correction of beam hardening artefacts will be implemented in the scientific computing library. Coincidentally, the virtual patient simulation environment will be developed.