L’ingénierie tissulaire est une approche qui vise à combler le besoin de remplacements d’organes. Ceci est d’autant plus vrai pour les artères, dont le besoin de remplacements résulte en partie de la prévalence des maladies cardiovasculaires dans le monde industrialisé. Pour ce faire, nous croyons qu’une des alternatives les plus prometteuse implique l’utilisation d’une structure permettant l’échafaudage tridimensionnel de cellules lors de la régénération. Le collagène possède plusieurs caractéristiques qui font en sorte qu’il peut être un matériau convenable à la fabrication de cette structure. Au cours de ce projet, un procédé d’extraction et de mise en solution de collagène type I à partir de queues de rat a été choisi et validé. Ce collagène a été caractérisé par rapport à ses propriétés moléculaires et ses performances mécaniques, biologiques et hématologiques. Suivant cette validation, une méthode pour produire des gels en forme de disques et de tubes ensemencés de cellules vasculaires a été élaborée. Ces structures ont été caractérisées quant à la viabilité des cellules dans le gel, la capacité des gels à être manipulés ainsi qu‘à leurs propriétés hématologiques, en milieu humide. Ce projet constitue une base pour des recherches futures visant à améliorer la fonctionnalité et les propriétés structurales des artères régénérées à base de collagène. / Tissue engineering provides insight into solving the organ shortage. This is especially the case for small diameter vascular substitutes, with which a shortage is due in part to the prevalence of cardiovascular disease in the industrialized world. For this, in our opinion, one of the most appropriate approaches involves using a structure to guide the cells during the regeneration phase. Collagen has many characteristics that make it suitable as a scaffold material for vascular tissue engineering. Two slightly different methods for extracting and processing collagen type I from rat tail were compared with respect to the molecular structure of the collagen molecule, the mechanical properties of thin films obtained from solvent evaporation and preliminary cellular viability with fibroblasts seeded on these same collagen films. One of the above methods was chosen and this collagen was then characterized with respect to cellular viability with smooth muscle cells and endothelial cells and also with blood contact assays. A method for producing three-dimensional gels seeded with vascular cells was developed. Cell distribution and viability, preliminary compliance testing and blood contact assays were performed on these gels. This project has provided the basis for further studies in order to maximize cell functionality and the structural properties required for implantation of collagen-gel-based vascular grafts.

Cette étude a pour but d'étudier la compliance et le vieillissement des prothèses artérielles dans des conditions in-vitro réalistes. Une technique de mesure de la compliance statique et dynamique des prothèses artérielles sans ajout de membrane étanche, a été mise au point, contrairement aux essais pratiqués par tous les dispositifs actuels. Les résultats obtenus montrent que les prothèses sont bien moins compliantes qu'annoncé par les fabricants et présentent une compliance très éloignée des artères saines de l'hôte. Il a été démontré que l'ajout d'une membrane même très souple, introduit des couplages entre la structure prothétique et la membrane. La caractérisation physico-chimique des prothèses ayant subi le vieillissement accéléré a permis d'en comprendre les mécanismes liés à la détérioration de la " durée de vie utile " de ces prothèses. Ce processus est marqué essentiellement par une modification de la structure textile de la prothèse (surtout une forte atténuation de cosselage) et une chute de la compliance longitudinale et de la compliance radiale. De plus, une diminution légère des propriétés dynamométriques des filaments constituant les prothèses a été mise en évidence. La dégradation s'est aussi manifestée par une variation du taux de cristallinité des fibres.

Cette étude a pour but d’étudier la compliance et le vieillissement des prothèses artérielles dans des conditions in-vitro réalistes. Une technique de mesure de la compliance statique et dynamique des prothèses artérielles sans ajout de membrane étanche, a été mise au point, contrairement aux essais pratiqués par tous les dispositifs actuels. Les résultats obtenus montrent que les prothèses sont bien moins compliantes qu’annoncé par les fabricants et présentent une compliance très éloignée des artères saines de l’hôte. Il a été démontré que l’ajout d’une membrane même très souple, introduit des couplages entre la structure prothétique et la membrane. La caractérisation physico-chimique des prothèses ayant subi le vieillissement accéléré a permis d’en comprendre les mécanismes liés à la détérioration de la « durée de vie utile » de ces prothèses. Ce processus est marqué essentiellement par une modification de la structure textile de la prothèse (surtout une forte atténuation de cosselage) et une chute de la compliance longitudinale et de la compliance radiale. De plus, une diminution légère des propriétés dynamométriques des filaments constituant les prothèses a été mise en évidence. La dégradation s’est aussi manifestée par une variation du taux de cristallinité des fibres. / The goal of this work is to study the compliance and the ageing of arterial prostheses under in vitro realistic conditions. A technique for measuring the static and dynamic compliance of arterial grafts without internal compliant membrane (ICM) was developed, contrary to the tests performed by all the current devices. Results have show that the prostheses are less compliant than announced by the manufacturers and have a very remote compliance than the healthy host arteries. It was demonstrated that the addition of an ICM introduces coupling between the prosthetic structure and the balloon. The physico-chemical characterization of the prostheses having undergone the accelerated ageing allowed to understand the mechanisms related to the deterioration of the "useful life" of these prostheses. This process is essentially marked by a modification of the textile structure of the prosthesis (particularly a high attenuation of crimping) and a fall of the longitudinal compliance and the radial compliance. In addition, a slight decrease of tensile properties of the filaments constituting the prosthesis was highlighted. Degradation is also appeared by a change in the rate of crystallinity of fibers.

Les maladies cardiovasculaires sont Lune des premières causes de mortalité en Amérique du Nord et est principalement due au vieillissement de la population. Il a été noté que 23 % de la population nord-américaine âgée de plus de 60 ans souffre d'une de ces maladies. Plusieurs remèdes permettant de remédier à ces maladies existent, dans un premier temps la prise de médicaments. Lorsque ces derniers ne sont plus efficaces, l'angioplastie ainsi que la pose de stents sont utilisées. Lorsque les fonctions de l'artère sont trop affectées, empêchant la circulation adéquate du sang, le remplacement de celleci par une prothèse est alors nécessaire. Malgré un taux de succès élevé pour les prothèses de plus de 6 mm de diamètre, le taux d'échec dans les 10 ans suivant l'implantation d'une prothèse en Téflon de moins de 6 mm de diamètre reste néanmoins de 66 %. Ce phénomène s'explique par la formation de thrombose et l'hyperplasie intimale. L'approche développée dans ce travail consistait donc à modifier la surface de ce polymère afin de favoriser la croissance des cellules endothéliales. En effet, sachant que ces cellules recouvrent naturellement la paroi des vaisseaux sanguins biologiques elles constituraient ainsi la surface hémocompatible par excellence. La stratégie développée au laboratoire était de conjuguer un peptide d'adhésion (RGD) et un peptide de prolifération (WQPPRARI) à la surface du polymère. Ces deux peptides ont été greffés suivant un modèle de patron en tirant profit des techniques d'impression et de pulvérisation développées au laboratoire. Dans le cadre de ce projet, le système de pulvérisation a été modifié, dans un premier temps, afin de traiter une plus grande superficie de surface car les tests biologiques nécessitaient des surfaces de 7 x 9 cm. La technologie consistait à pulvériser une solution de peptide RGD sous forme de gouttelettes de 10 um de diamètre avec un recouvrement de surface de 20 %, la surface non traitée était par la suite trempée dans la seconde solution peptidique soit : WQPPRARI. Une table x, y a été ajoutée au montage permettant ainsi de traiter uniformément de plus grandes surfaces. Les surfaces ainsi obtenues ont été évaluées quant à leur potentiel à promouvoir l'adhésion et la prolifération des cellules endothéliales humaines extraites de veines saphènes (HSVEC). Les expériences ont été effectuées in vitro autant en mode statique qu'en mode dynamique, afin de reproduire le plus possible les conditions d'un flux sanguin. Dans le cadre des études en mode statique, il a été observé que la présence de patron à la surface ne conduisait pas à une meilleure adhésion des cellules. Par contre, lors des tests en prolifération, il a clairement été démontré que le patron peptidique influençait la croissance cellulaire. Pour ce qui est des études en mode dynamique, l'attachement et la réorientation des cellules ont été observés. Une meilleure adhésion et une réorganisation cellulaire a été observée sur les surfaces patronnées. La micro structuration des surfaces de téflon avec les peptides RGD et WQPPRARI favorise donc une meilleure endothélialisation.

L'objectif de cette thèse est de développer de nouveaux textiles biomimétiques pour réaliser des prothèses vasculaires au comportement mécanique proche de celui de l'aorte native, afin de limiter les problèmes post-opératoires observés actuellement. Afin d'établir le cahier des charges, un modèle de comportement de l'AA inspiré d'un modèle multicouches a été ajusté sur des essais biaxiaux de la littérature réalisés sur des échantillons d'AA excisés, pour trois groupes d'âge distincts. Ce modèle a ensuite été implémenté dans un code de calculs par éléments finis afin de simuler le comportement mécanique de l'aorte saine soumise à un ensemble de sollicitations mécaniques, tant à l'échelle du matériau (traction uni et biaxiale, flexion) qu'à celle de la structure (gonflement avec pré-élongation, flexion, compression diamétrale). Dans un second temps, des essais de caractérisation couplés à des mesures par imagerie ont été mis en œuvre sur des prothèses du commerce, avec les mêmes conditions limites et de chargement que les simulations numériques. Ces essais ont permis d'identifier les écarts de comportement mécanique entre les prothèses actuelles et l'aorte native. Afin de pallier à cela, la dernière partie de ce travail a été consacrée au développement de nouveaux textiles biomimétiques, i.e mimant le comportement mécanique de l'aorte native ainsi que ses principales caractéristiques histologiques (« ondulation » et « orientations de fibres privilégiées»), réalisables à l'échelle industrielle par technologie « tricot maille jetée ». Dans un premier temps, le comportement mécanique de plusieurs multifilaments en PET avec différents titres, nombres de filaments et différentes textures, a été étudié après plusieurs traitements (thermique…). Ceci a permis de sélectionner un fil en particulier pour la réalisation des textiles. Par la suite, une première optimisation des paramètres de fabrication (armure, densité de mailles, jauge) a été réalisée pas-à-pas à travers plusieurs campagnes de réalisations et de caractérisations de tricots plans en sollicitation uniaxiale et biaxiale. Enfin, des premiers essais de mise en forme tubulaire ont été réalisés à partir des textiles optimisés. Deux procédés de mise en forme ont été développés : tubes cousus / tubes tramés. La production de « tubes tramés » continus est une technologie innovante à notre connaissance, et prometteuse. Le comportement mécanique des tubes réalisés a été caractérisé en gonflement pour une première évaluation. Plus spécifiquement, l'effet des procédés appliqués sur les textiles médicaux (lavage, traitement thermique, enduction) a été testé sur des échantillons de tube tramé et de textiles plans. Ces premiers essais ont montré qu'en pilotant les paramètres de ces différents traitements et plus particulièrement ceux du traitement thermique, il est possible de moduler le comportement mécanique des tricots afin qu'il s'approche au mieux de celui de l'AA. / This thesis aims at developing new biomimetic textiles to design vascular prostheses with a mechanical behavior close to the one of the host aorta, in order to reduce current post-operative problems. To define the ideal target properties, a AA mechanical model was chosen, based on a multi-layered model from the literature. The model parameters were adjusted on biaxial tensile data reported in the literature, performed on excised AA samples for three different age groups. Then, this model was implemented in a finite element code in order to simulate the mechanical behavior of the healthy aorta submitted to various mechanical loadings, both at the material's scale (uni- and biaxial tensile tests, bending) and at the structure's scale (inflation with prestretch, bending, diametric compression). Secondly, several commercial prostheses were characterized using dedicated experimental devices combined with image recordings. The prostheses were tested under the same boundary and loading conditions as the ones used in the numerical simulations. These tests showed that the actual prostheses are not fully mechanically compatible with the host aorta. In order to solve this problem, the last part of this work was dedicated to the design of new biomimetic textiles, i.e. mimicking the healthy aorta's mechanical behavior and main histologic properties (“wavy fibres” and “preferred fiber orientations”), which can be produced industrially using “warp knitting” technology. Firstly, the mechanical behavior of several PET yarns made of different titers, filament numbers and textures were characterized after several treatments (thermal, etc.). This step enabled to identify one specific yarn to produce the biomimetic textiles. Then, a first optimization of the manufacturing parameters (weave, gauge, density, etc.) was made step by step by means of several textile production and planar tests (uni- and biaxial tensile tests). Finally, several trials were conducted to design tubular structures from the optimized textiles. Two shaping methods were developed: sewed tubes / weaved tubes. The continuously “weaved tubes” production is an innovative and promising technology as far as we know. The mechanical behavior of the new tubes was characterized using inflation tests for a first assessment. More specifically, the effect of the treatments usually applied on medical textiles (cleaning, thermal treatment, coating) was tested on weaved tubes and planar textiles samples. By adjusting the parameters of the several processes - and mostly those of thermal treatments – it was possible to adjust the textiles' mechanical behavior in order to make it the closest to the AA's one.

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5). / Atherosclerosis is a disease caused by the accumulation of lipid deposits inducing the remodeling and hardening of the vessel wall, which leads to a progressive narrowing of arteries. These lesions are generally located on the coronary, carotid, aortic, renal, digestive and peripheral arteries. With regards to peripheral vessels, lower limb arteries are frequently affected. The severity of arterial lesions are evaluated by the stenosis degree (reduction > 50.0 % of the lumen diameter) using angiography, magnetic resonance angiography (MRA), computed tomography (CT) and ultrasound (US). However, to plan a surgical therapeutic intervention, a 3D arterial geometric representation is notably preferable. Imaging methods such as MRA and CT are very efficient to generate a three-dimensional imaging of good quality even though their use is expensive and invasive for patients. 3D-ultrasound can be perceived as a promising avenue in imaging for the location and the quantification of stenoses. This non invasive, non allergic (i.e, nephrotoxic contrast agent) and non-radioactive imaging modality offers distinct advantages in convenience, low cost and also multiple diagnostic options to quantify blood flow in Doppler. Since medical robots already have been used with success in surgery and orthopedics, our team has conceived a new medical 3D-US robotic imaging system to localize and quantify arterial stenoses in lower limb vessels. With this new technology, a clinician manually teaches the robotic arm the scanning path. Then, the robotic arm repeats with high precision the taught trajectory and controls simultaneously the ultrasound image acquisition process at even sampling and preserves safely the force applied by the US probe. Consequently, the reconstruction of a lower limb arterial geometry in 3D with this system could allow the location and quantification of stenoses with high accuracy. The objective of this research project consisted in validating and optimizing this 3D-ultrasound imaging robotic system. The reliability of a 3D reconstructed geometry obtained with 2D-US images captured with a robotic system depends considerably on the positioning accuracy and the calibration procedure. Thus, the positioning accuracy of the robotic arm was evaluated in the workspace with a lower limb-mimicking phantom design (article 1 - chapter 3). In addition, a Z-phantom was designed to assure a precise calibration of the robotic system. These optimal methods were used to validate the system for the clinical application and to find the transformation which converts image coordinates of a 2D-ultrasound image into the robotic arm referential. From these results, all objects scanned by the robotic system can be adequately reconstructed in 3D. Multimodal imaging vascular phantoms of lower limb arteries were used to evaluate the accuracy of the 3D representations (article 2 - chapter 4, article 3 - chapter 5). The validation of the reconstructed geometry with this system was performed by comparing surface points with the manufacturing vascular phantom file surface points. The accuracy to localize and quantify stenoses with the 3D-ultrasound robotic imaging system was also determined. These same evaluations were analyzed in vivo to perceive the feasibility of the study.

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain. / Locating and quantifying stenosis length and severity are essential for planning adequate treatment of peripheral arterial disease (PAD). To do this, clinicians use imaging methods such as ultrasound (US), Magnetic Resonance Angiography (MRA) and Computed Tomography Angiography (CTA). However, US examination cannot provide maps of entire lower limb arteries in 3D, MRA is expensive and invasive, CTA is ionizing and also invasive. We propose a new 3D-US robotic system with B-mode images, which is non-ionizing, non-invasive, and is able to track and reconstruct in 3D the superficial femoral artery from the iliac down to the popliteal artery, in real time. In vitro, 3D-US reconstruction was evaluated for simple and complex geometries phantoms in comparison with their computer-aided-design (CAD) file in terms of lengths, cross sectional areas and stenosis severity. In addition, for the phantom with a complex geometry, an evaluation was realized using Hausdorff distance, cross-sectional area and stenosis severity in comparison with 3D reconstruction with CTA. A mean Hausdorff distance of 0.97± 0.46 mm was found for 3D-US compared to 3D-CTA vessel representations. In vitro investigation to evaluate stenosis severity when compared with the original phantom CAD file showed that 3D-US reconstruction, with 3%-6% error, is better than 3D-CTA reconstruction, with 4-13% error. The in vivo system’s feasibility to reconstruct a normal femoral artery segment of a volunteer was also investigated. All of these promising results show that our ultrasound robotic system is able to track automatically the vessel and reconstruct it in 3D as well as CTA. Clinically, our system will allow firstly to the radiologist to have 3D images readily interpretable and secondly, to avoid radiation and contrast agent for patients.

L’athérosclérose est une maladie qui cause, par l’accumulation de plaques lipidiques, le durcissement de la paroi des artères et le rétrécissement de la lumière. Ces lésions sont généralement localisées sur les segments artériels coronariens, carotidiens, aortiques, rénaux, digestifs et périphériques. En ce qui concerne l’atteinte périphérique, celle des membres inférieurs est particulièrement fréquente. En effet, la sévérité de ces lésions artérielles est souvent évaluée par le degré d’une sténose (réduction >50 % du diamètre de la lumière) en angiographie, imagerie par résonnance magnétique (IRM), tomodensitométrie ou échographie. Cependant, pour planifier une intervention chirurgicale, une représentation géométrique artérielle 3D est notamment préférable. Les méthodes d’imagerie par coupe (IRM et tomodensitométrie) sont très performantes pour générer une imagerie tridimensionnelle de bonne qualité mais leurs utilisations sont dispendieuses et invasives pour les patients. L’échographie 3D peut constituer une avenue très prometteuse en imagerie pour la localisation et la quantification des sténoses. Cette modalité d’imagerie offre des avantages distincts tels la commodité, des coûts peu élevés pour un diagnostic non invasif (sans irradiation ni agent de contraste néphrotoxique) et aussi l’option d’analyse en Doppler pour quantifier le flux sanguin. Étant donné que les robots médicaux ont déjà été utilisés avec succès en chirurgie et en orthopédie, notre équipe a conçu un nouveau système robotique d’échographie 3D pour détecter et quantifier les sténoses des membres inférieurs. Avec cette nouvelle technologie, un radiologue fait l’apprentissage manuel au robot d’un balayage échographique du vaisseau concerné. Par la suite, le robot répète à très haute précision la trajectoire apprise, contrôle simultanément le processus d’acquisition d’images échographiques à un pas d’échantillonnage constant et conserve de façon sécuritaire la force appliquée par la sonde sur la peau du patient. Par conséquent, la reconstruction d’une géométrie artérielle 3D des membres inférieurs à partir de ce système pourrait permettre une localisation et une quantification des sténoses à très grande fiabilité. L’objectif de ce projet de recherche consistait donc à valider et optimiser ce système robotisé d’imagerie échographique 3D. La fiabilité d’une géométrie reconstruite en 3D à partir d’un système référentiel robotique dépend beaucoup de la précision du positionnement et de la procédure de calibration. De ce fait, la précision pour le positionnement du bras robotique fut évaluée à travers son espace de travail avec un fantôme spécialement conçu pour simuler la configuration des artères des membres inférieurs (article 1 - chapitre 3). De plus, un fantôme de fils croisés en forme de Z a été conçu pour assurer une calibration précise du système robotique (article 2 - chapitre 4). Ces méthodes optimales ont été utilisées pour valider le système pour l’application clinique et trouver la transformation qui convertit les coordonnées de l’image échographique 2D dans le référentiel cartésien du bras robotisé. À partir de ces résultats, tout objet balayé par le système robotique peut être caractérisé pour une reconstruction 3D adéquate. Des fantômes vasculaires compatibles avec plusieurs modalités d’imagerie ont été utilisés pour simuler différentes représentations artérielles des membres inférieurs (article 2 - chapitre 4, article 3 - chapitre 5). La validation des géométries reconstruites a été effectuée à l`aide d`analyses comparatives. La précision pour localiser et quantifier les sténoses avec ce système robotisé d’imagerie échographique 3D a aussi été déterminée. Ces évaluations ont été réalisées in vivo pour percevoir le potentiel de l’utilisation d’un tel système en clinique (article 3- chapitre 5). / Atherosclerosis is a disease caused by the accumulation of lipid deposits inducing the remodeling and hardening of the vessel wall, which leads to a progressive narrowing of arteries. These lesions are generally located on the coronary, carotid, aortic, renal, digestive and peripheral arteries. With regards to peripheral vessels, lower limb arteries are frequently affected. The severity of arterial lesions are evaluated by the stenosis degree (reduction > 50.0 % of the lumen diameter) using angiography, magnetic resonance angiography (MRA), computed tomography (CT) and ultrasound (US). However, to plan a surgical therapeutic intervention, a 3D arterial geometric representation is notably preferable. Imaging methods such as MRA and CT are very efficient to generate a three-dimensional imaging of good quality even though their use is expensive and invasive for patients. 3D-ultrasound can be perceived as a promising avenue in imaging for the location and the quantification of stenoses. This non invasive, non allergic (i.e, nephrotoxic contrast agent) and non-radioactive imaging modality offers distinct advantages in convenience, low cost and also multiple diagnostic options to quantify blood flow in Doppler. Since medical robots already have been used with success in surgery and orthopedics, our team has conceived a new medical 3D-US robotic imaging system to localize and quantify arterial stenoses in lower limb vessels. With this new technology, a clinician manually teaches the robotic arm the scanning path. Then, the robotic arm repeats with high precision the taught trajectory and controls simultaneously the ultrasound image acquisition process at even sampling and preserves safely the force applied by the US probe. Consequently, the reconstruction of a lower limb arterial geometry in 3D with this system could allow the location and quantification of stenoses with high accuracy. The objective of this research project consisted in validating and optimizing this 3D-ultrasound imaging robotic system. The reliability of a 3D reconstructed geometry obtained with 2D-US images captured with a robotic system depends considerably on the positioning accuracy and the calibration procedure. Thus, the positioning accuracy of the robotic arm was evaluated in the workspace with a lower limb-mimicking phantom design (article 1 - chapter 3). In addition, a Z-phantom was designed to assure a precise calibration of the robotic system. These optimal methods were used to validate the system for the clinical application and to find the transformation which converts image coordinates of a 2D-ultrasound image into the robotic arm referential. From these results, all objects scanned by the robotic system can be adequately reconstructed in 3D. Multimodal imaging vascular phantoms of lower limb arteries were used to evaluate the accuracy of the 3D representations (article 2 - chapter 4, article 3 - chapter 5). The validation of the reconstructed geometry with this system was performed by comparing surface points with the manufacturing vascular phantom file surface points. The accuracy to localize and quantify stenoses with the 3D-ultrasound robotic imaging system was also determined. These same evaluations were analyzed in vivo to perceive the feasibility of the study.

Chez l’humain et le chien, certaines atteintes respiratoires peuvent mener à une augmentation de la pression artérielle pulmonaire (PAP) et à un remodelage des artères pulmonaires. Chez le chat domestique, de telles conséquences n’ont que rarement été rapportées. Dans ce mémoire de maîtrise, nous avons étudié l’impact des atteintes respiratoires sur l’hémodynamie et la structure des vaisseaux artériels pulmonaires chez felis catus domestica à l’aide de deux approches méthodologiques. La première s’intéressait au temps d’intervalles systoliques (STIs) mesurés à l’échocardiographie et leur corrélation avec l’estimation de la PAP. Dix-sept autres paramètres échocardiographiques chez 10 chats atteints de maladies respiratoires chroniques ont été comparés à ceux de 16 chats sains. Aucune différence significative n’a été démontrée entre les deux groupes pour l’ensemble des paramètres. Les STIs n’étaient pas corrélés à l’estimation de la PAP, limitant leur potentiel prédictif d’hypertension pulmonaire chez le chat. La deuxième approche visait à déterminer histologiquement l’incidence des désordres bronchiolaires (BD) sur le remodelage artériel pulmonaire, à l’aide de tissus pulmonaires provenant de 13 chats atteints à ceux de 13 chats témoins. La proportion de la paroi artérielle occupée par l’adventice était significativement plus élevée chez les chats BD que celle du groupe contrôle, chez qui l’intima et la média était significativement plus proéminente chez les artères de petit et moyen calibre, respectivement. Cet effet opposé s’est soldé par une épaisseur pariétale totale comparable entre les deux groupes. D’autres études seront nécessaires pour comprendre les mécanismes physiologiques sous-jacents aux changements histologiques observés lors de BD. / In humans and dogs, respiratory disorders can lead to increased pulmonary arterial pressure (PAP) and a remodeling of the pulmonary arteries. In domestic cats, such consequences have rarely been reported. In this master's thesis, we studied the impact of respiratory diseases on pulmonary hemodynamics and on pulmonary arterial morphometry in felis catus domestica using two methodological approaches Our first study focused on systolic time intervals (STIs) and their correlation with estimated PAP, upon which 17 other echocardiographic parameters were compared between 10 cats with chronic respiratory diseases and 16 healthy cats. No significant differences were observed between the two groups for any of the parameters that were measured. STIs did not correlate with estimated PAP, limiting their predictive potential of pulmonary hypertension in cats. The second study’s aim was to determine the histological impact of bronchiolar disorders (BD) on the remodeling of pulmonary arteries using pulmonary tissues from 13 affected cats compared to those of 13 control cats. The proportion of the arterial wall occupied by the adventitia was significantly higher in cats in with BD than that of the control group, of which the intima and media were significantly more prominent in small and medium caliber arteries, respectively. This opposite effect resulted in a comparably similar wall thickness between the two groups. Further studies will be needed to understand the physiological mechanisms underlying the histological changes observed in cats with BD.