Le recueil du signal EMG diaphragmatique par voie de surface est une mesure délicate. L'atténuation induite par les différents tissus se situant sur le trajet diaphragme-électrode et la faiblesse de l'amplitude des potentiels générés sont à l'origine d'un rapport signal sur bruit qui rend l'analyse de ce signal particulièrement difficile. Dans ce travail de thèse, nous proposons d'évaluer cette atténuation à deux niveaux d'échelles : Une première échelle appelée " grand volume " consiste à considérer la cage thoracique comme homogène et constituée de tissu pulmonaire et d'évaluer l'atténuation du signal diaphragmatique en fonction de la distance fibre électrode et de la conductivité du tissu pulmonaire. La volonté de confronter les résultats de modélisation avec des mesures expérimentales, nous a conduit à considérer le cas spécifique de la mesure œsophagienne couplée à une stimulation phrénique. Nous avons utilisé un plan d'expériences pour analyser les différents paramètres d'influence. Cette première approche était basée sur un modèle analytique. Une deuxième échelle, consiste à prendre compte l'effet d'inhomogénéités sur le trajet fibre-électrode. Cette étape, conduite à titre prospectif, est ici centrée sur l'analyse de l'influence des cotes sur l'atténuation du signal. A cette échelle, la confrontation avec la mesure devient plus délicate et nous proposons une étude basée sur la seule modélisation. Cette dernière est conduite ici à l'aide des éléments finis.

La fonctionnalisation des biomatériaux est une stratégie probante et prometteuse développée pour favoriser l'intégration de biomatériaux dans un organisme vivant. Le dépôt de films multicouches de polyélectrolytes est une méthode de fonctionnalisation de surfaces particulièrement adaptée au recouvrement d'implants. Ces surfaces modifiées pourront ainsi interagir avec leur environnement biologique. Au cours de ce travail de thèse, nous avons développé un nouveau revêtement, à base de composés naturels, capable de recouvrir plusieurs types de surfaces. De plus, ces revêtements originaux peuvent être utilisés pour orienter certains phénomènes cellulaires. Dans la première partie de ce travail de thèse, nous avons mis au point un nouveau système de films multicouches à base de collagène et d'alginate. La réticulation chimique avec la génipine, un agent naturel d'origine végétale (Gardenia Jasminoide), stabilise ces constructions pour une utilisation en conditions physiologiques. Les études d'adhérence et de prolifération de cellules endothéliales humaines ont montré que ces revêtements à base de constituants naturels sont des supports adéquats en vue d'applications biomédicales. Nous avons ensuite déposé des films collagène/alginate sur des implants en titane précédemment recouvert d'un gel microporeux en poly(acide lactique). Nous avons pu montrer que les films collagène/alginate favorisent la prolifération de cellules épithéliales, ce qui permettrait une meilleure intégration des implants. Dans la deuxième partie de notre travail, nous avons développé une technique permettant d'obtenir des revêtements et des membranes à base de films multicouches collagène/alginate ayant des structures fibrillaires orientées. L'alignement fibrillaire s'obtient par simple étirement des substrats élastiques en poly(diméthyl siloxane) (PDMS) sur lesquels sont déposés les revêtements collagène/alginate. La déformation longitudinale du substrat induit un alignement préférentiel des fibrilles de collagène du revêtement. L'étude de l'influence du taux d'étirement sur l'alignement des fibres a montré qu'il était possible de moduler cet alignement. Enfin, nous avons observé que le comportement de différents types cellulaires (fibroblastes et astrocytes) est modifié par l'alignement fibrillaire. On note que les cellules s'alignent dans la même direction que les fibrilles de collagène. A l'évidence, l'organisation fibrillaire du revêtement conditionne la géométrie de l'étalement cellulaire. Les cellules s'allongent lorsque les fibrilles sont alignées. De plus, il apparaît que la direction des divisions cellulaires est guidée par la direction de l'alignement des fibrilles de collagène dans le revêtement étiré. Cela signifie que les cellules sont guidées par les fibrilles de collagène alignées.

L'échographie est un outil qui s'impose de plus en plus dans le domaine des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur (GMCAO). Les médecins et les chirurgiens disposent en conséquence d'un excellent outil de travail qui les aide à planifier et surtout à réaliser des interventions chirurgicales. Pour cela, ils ont besoin également de logiciels automatiques et faciles à utiliser fondés sur d'algorithmes robustes, précis et rapides. L'objectif majeur de cette thèse est d'exploiter la dualité segmentation- recalage pour extraire de l'information pertinente des images échographiques. Cette information permettra ensuite le recalage automatique et précis des structures anatomiques contenues dans le modèle pré-opératoire issu de l'imagerie TDM/IRM et des données per-opératoires contenues dans les images échographique. Le résultat du recalage sera utilisé ultérieurement pour prêter assistance à un outil guidé par ordinateur. Dans une première partie, nous proposons des méthodes de filtrage, segmentation et calibrage des images échographiques. Un intérêt majeur a été accordé au développement des algorithmes de traitement robustes, précis et rapides. Une deuxième partie a été dédiée à la dualité segmentation-recalage et à la compensation des déformations élastiques des tissus mous. Des algorithmes de segmentation de haut niveau des images échographiques ont été développés. Ils se fondent sur la fusion des résultats fournis par la segmentation de bas niveau, des connaissances anatomiques a priori et de l'information apportée par le modèle pré-opératoire. La troisième partie est réservée à la description détaillée des applications et à l'interprétation des résultats. Les applications traitées sont : l'orthopédie du rachis - visée pédiculaire, l'orthopédie du bassin - visée sacro-iliaque, la radiothérapie de la prostate et la ponction d'un épanchement péricardique. Finalement, les développements futurs de cette approche sont discutés.

La tomographie de cohérence optique (OCT) est une technique d'imagerie non invasive, fondée sur le principe de l'interférométrie. Elle est maintenant un examen classique pour le dépistage et le suivi des affections rétiniennes, notamment des dégénérescences maculaires. C'est dans ce cadre que s'inscrit le premier objectif de ces travaux de thèse, où nous proposons une nouvelle méthode de segmentation des images OCT de sujets sains. Les principales difficultés sont liées au bruit des images, à la variabilité de la morphologie d'un patient à l'autre et aux interfaces mal définies entre les différentes couches. Notre nouvelle approche est fondée sur des algorithmes de segmentation plus globaux. Ainsi, huit couches rétiniennes peuvent être détectées, y compris les segments internes (IS) des photorécepteurs. L'évolution lente des maladies rétiniennes pose le problème de l'évaluation de ces thérapeutiques. C'est dans ce cadre que s'inscrit le second objectif de cette thèse, où nous étendons le champ d'application des méthodes développées pour les sujets sains aux sujets atteints de rétinopathie pigmentaire. Nous avons ainsi développé un nouveau modèle paramétrique déformable qui intègre les informations a priori en ajoutant une contrainte de parallélisme. Dans les cas sains et pathologiques, nous avons réalisé une évaluation exhaustive qualitative et quantitative. Les résultats de segmentation automatique ont été comparés avec les segmentations manuelles réalisées par différents experts. Ces évaluations montrent une très bonne concordance et une forte corrélation entre les segmentations automatiques et les segmentations faites manuellement par un expert.

Cette thèse, ayant comme thème scientifique le recalage qu'il soit géométrique ou iconique, décrit trois applications cliniques dans le domaine de l'urologie. Elle s'appuie en grande partie sur l'utilisation de l'échographie comme capteur peropératoire.<br />Elle présente trois chapitres :<br />1. La ponction du rein dont le but est d'atteindre par voie percutanée une cible à l'intérieur du rein. Dans un premier temps, une approche de recalage par une mise en correspondance de nuages de points d'image échographiques et scanner est décrite avant l'évaluation d'une approche iconique sur fantôme et sur un sujet sain. Dans un second temps, une approche consistant à mettre en correspondance de façon automatique, à l'aide d'un localisateur externe, le trajet de ponction échographique dans des images de fluoroscopie est décrite puis validée sur fantôme et 11 patients.<br />2. La ponction des trous sacrés dans le but de placer une aiguille au contact des racines de nerfs sacrés. Nous décrivons une approche consistant à recaler par une approche géométrique des images scanner et échograpiques en détectant dans les images scanner l'interface os/muscle visible en échographie. Nous décrivons les expériences sur un fantôme et un sujet anatomique.<br />3. Le dernier chapitre décrit le développement de deux applications concernant le cancer de la prostate. La première est la reconstruction d'images 3D anatomopathologique de la prostate et leur recalage avec des images IRM dans le but de développer un atlas statistique de la distribution du cancer et d'améliorer la sémiologie radiologique. La méthode est décrite à partir de données de sujets anatomiques et d'un patient. La seconde est la localisation des biopsies de prostate par voie endorectale en employant une approche de recalage iconique échographique 3D monomodale afin d'améliorer la cartographie biopsique qui est essentielle pour le diagnostic et la prise en charge du cancer. Contrairement aux méthodes précédentes de recalage peropératoire décrite dans cette thèse, celle-ci est uniquement basée sur les images et permet donc de s'affranchir de l'utilisation d'un localisateur externe. Notre approche est validée par une étude clinique sur 14 patients.

L’analyse biomécanique du mouvement humain en utilisant des systèmes optoélectroniques et des marqueurs cutanés considère les segments du corps comme des corps rigides. Cependant, le mouvement des tissus mous par rapport à l'os, c’est à dire les muscles et le tissu adipeux, provoque le déplacement des marqueurs. Ce déplacement est le fait de deux composantes, une composante propre correspondant au mouvement aléatoire de chaque marqueur et une composante à l’unisson provoquant le déplacement commun des marqueurs cutanés lié au mouvement des masses sous-jacentes. Si nombre d’études visent à minimiser ces déplacements, des simulations ont montré que le mouvement des masses molles réduit la dynamique articulaire. Cette observation est faite uniquement par la simulation, car il n'existe pas de méthodes capables de dissocier la cinématique des masses molles de celle de l’os. L’objectif principal de cette thèse consiste à développer une méthode numérique capable de distinguer ces deux cinématiques. Le premier objectif était d'évaluer une méthode d'optimisation locale pour estimer le mouvement des masses molles par rapport à l’humérus obtenu avec une tige intra-corticale vissée chez trois sujets. Les résultats montrent que l'optimisation locale sous-estime de 50% le déplacement des marqueurs et qu’elle conduit à un classement de marqueurs différents en fonction de leur déplacement. La limite de cette méthode vient du fait qu'elle ne tient pas compte de l’ensemble des composantes du mouvement des tissus mous, notamment la composante en unisson. Le second objectif était de développer une méthode numérique qui considère toutes les composantes du mouvement des tissus mous. Plus précisément, cette méthode devait fournir une cinématique similaire et une plus grande estimation du déplacement des marqueurs par rapport aux méthodes classiques et dissocier ces composantes. Le membre inférieur est modélisé avec une chaine cinématique de 10 degrés de liberté reconstruite par optimisation globale en utilisant seulement les marqueurs placés sur le pelvis et la face médiale du tibia. L’estimation de la cinématique sans considérer les marqueurs placés sur la cuisse et le mollet permet d'éviter l’influence de leur déplacement sur la reconstruction du modèle cinématique. Cette méthode testée sur 13 sujets lors de sauts a obtenu jusqu’à 2,1 fois plus de déplacement des marqueurs en fonction de la méthode considérée en assurant des cinématiques similaires. Une approche vectorielle a montré que le déplacement des marqueurs est surtout dû à la composante à l’unisson. Une approche matricielle associant l’optimisation locale à la chaine cinématique a montré que les masses molles se déplacent principalement autour de l'axe longitudinal et le long de l'axe antéro-postérieur de l'os. L'originalité de cette thèse est de dissocier numériquement la cinématique os de celle des masses molles et les composantes de ce mouvement. Les méthodes développées dans cette thèse augmentent les connaissances sur le mouvement des masses molles et permettent d’envisager l’étude de leur effet sur la dynamique articulaire. / Biomechanical analysis of human movement using optoelectronic system and skin markers considers body segments as rigid bodies. However the soft tissue motion relative to the bone, including muscles, fat mass, results in relative displacement of markers. This displacement is the results of two components, an own component which corresponds to a random motion of each marker and an in-unison component corresponding to the common movement of skin markers resulting from the movement of the underlying wobbling mass. While most studies aim to minimize these displacements, computer simulation models have shown that the movement of the soft tissue motion relative to the bones reduces the joint kinetics. This observation is only available using computer simulations because there are no methods able to distinguish the kinematics of wobbling mass of the bones kinematics. The main objective of this thesis is to develop a numerical method able to distinguish this different kinematics. The first aim of this thesis was to assess a local optimisation method for estimating the soft tissue motion using intra-cortical pins screwed into the humerus in three subjects. The results show that local optimisation underestimates of 50% the marker displacements. Also it leads to a different marker ranking in terms of displacement. The limit of local optimisation comes from the fact that it does not consider all the components of the soft tissue motion, especially the in-unison component. The second aim of this thesis was to develop a numerical method that accounts for all the component of the soft tissue motion. More specifically, this method should provide similar kinematics and estimate large marker displacement and distinguish the two components to conventional approaches. The lower limb is modeled using a 10 degree of freedom chain model reconstructed using global optimisation and the markers placed only on the pelvis and the medial face of the shank. The original estimate of joint kinematics without considering the markers placed on the thigh and on the calf avoids the influences of these markers displacement on the kinematic model reconstruction. This method was tested on 13 subjects who performed hopping trials and obtained up to 2.1 times of marker displacement depending the method considered ensuring similar joint-kinematics. A vector approach shown that marker displacements is more induce by the in-unison component. A matrix approach combining the local optimisation and the kinematic model shown that the wobbling mass moves around the longitudinal axis and along the antero-posterior axis of the bone. The originality of this thesis is to numerically distinguish the bone kinematics from the wobbling mass kinematics and the two components of the soft tissue motion. The methods developed in this thesis increases the knowledge on soft tissue motion and allow future studies to consider their movement in joint kinetics calculation.

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée. / Clinical diagnosis of cardiovascular disease is dominated by colour-Doppler ultrasound despite its limitations: angle-dependent velocity measurements and low frame-rate from conventional focusing. Two studies, varying in their approach, address these limitations using plane-wave imaging, post-processed with the delay-and-sum and autocorrelation methods. The aim of this study is to re-implement these methods, investigating some parameters which affect blood velocity estimation accuracy using 2D vector-Doppler. Through in vitro experimentation on stationary parabolic flow, using a Verasonics system, four parameters were tested on mapping accuracy: number of tilts per orientation, ensemble length for single titled images, cycles per transmit pulse, and orientation angle at various flow-rates. The optimal estimates were found for 7 compounded tilts per image, oriented at ±15° with 6 cycles per pulse. Reconstruction accuracies were comparable to conventional Doppler; however, maintaining frame-rates more than 10 to 20 times faster, allowing better characterization of fast transient events requiring higher temporal resolution.

To investigate the role of muscles in the development of adolescent idiopathic scoliosis (AIS), our group was initially interested in Duchenne muscular dystrophy (DMD) diseases where a muscular degeneration often leads to scoliosis. Few years ago the studies with those patients provided interesting results but were obtained only from few patients. To increase that number, the present project was initiated but recruitment of new DMD patients from Marie-Enfant hospital was found impossible. As an alternative, patients with Friedreich’s ataxia (FA) were recruited since they also suffer from a muscular deficiency which often induces a scoliosis. So, 4 FA patients and 4 healthy controls have been chosen to closely match the age, weight and body mass indexes (BMI) of the patients were enrolled in our experiments. As in the previous study, electromyography (EMG) activity of paraspinal muscles were recorded on each side of the spine during three types of contraction at 2 different maximum voluntary contractions (MVC). Moreover, the volume and skinfold thickness of these muscles were determined from ultrasound images (US) in order to facilitate the interpretation of EMG signals recorded on the skin surface. For the 3 FA right scoliotic patients, EMG activity was most of the time larger on the concave side of the deviation. The opposite was found for the 4th one (P4, left scoliosis, 32°) for whom EMG activity was larger on the convex side; it should however be noted that all his signals were of small amplitude. This was associated to a muscle weakness and a large skinfold thickness (12 mm) vs 7 mm for the 3 others. As for the paraspinal muscle volume, it was present on the convex side of P1, P3 and P4 and on the concave side for P2. As for skinfold thickness over this muscle, it was larger on the concave side for P1 and P2 and the opposite for P3 and P4. At the apex of each curve, the volume and skinfold thickness differences were the largest. Although the study covers only a small number of FA patients, the presence of larger EMG signals on the concave side of a spinal deformation is similar to pre-scoliotic DMD patients for whom the deformation is in its initial stage. It thus seems that our FA patients with more EMG activity on their concave side could see progression of their spinal deformation in the coming months in spite of their already important Cobb angle. / Pour étudier le rôle des muscles dans le développement de la scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA), d’abord notre groupe était intéressé par la myopathie de Duchenne (DMD) où une dégénérescence musculaire conduit souvent à la scoliose. Il y a quelques années, des résultats intéressants étaient obtenus par les études avec ces patients, mais seulement de quelques patients. Pour augmenter ce nombre, le présent projet a été lancé, mais le recrutement de nouveaux patients atteints de DMD a été trouvé impossible dans l’hôpital de Marie-Enfant. Comme alternative, les patients atteints de l’ataxie de Friedriech (AF) ont recruté qui provoque un affaiblissement musculaire menant souvent à une scoliose. Ainsi, 4 patients AF et 4 jeunes sains asymptomatiques constituant le groupe contrôle ont été recruté dans nos expériences. Comme dans l’étude précédente, les signaux électromyographiques (EMG) des muscles paraspinaux ont été captés lors de 3 types de contraction à deux différentes contractions volontaires maximales. En outre, l'épaisseur du pli cutané et du volume de ces muscles ont été déterminées à partir des images échographiques en vue de faciliter l’interprétation des signaux EMG enregistrés à la surface de la peau. Pour les 3 patients présentaient une scoliose à droite, une activité EMG a été la plupart du temps plus grande sur le côté concave de la déviation. Le contraire a été trouvé chez le 4ième patient (scoliose à gauche, 32°) chez qui l’activité EMG était plus grande sur le côté convexe. Il est à noter que ses signaux EMG étaient très faibles dû à une faiblesse musculaire et à une épaisseur du pli cutané plus grande (12 mm vs 7 mm) pour les 3 autres. En ce qui concerne le volume des muscles paraspinaux, il était plus grand du côté convexe pour P1, P3 et P4 et du côté concave pour P2. Quant à l'épaisseur du pli cutané au-dessus des paraspinaux, il était plus grand du côté concave pour P1 et P2 et c’était l'inverse pour P3 et P4. Ces différences de volume et d'épaisseur du pli cutané étaient plus grandes au voisinage de l’apex des courbes scoliotiques. Bien que l'étude ne porte que sur un petit nombre de patients atteints de l’ataxie de Friedreich (AF), la présence de signaux EMG plus grands du côté concave de leur déformation vertébrale est à le semblable de ce que nous avons observé chez les patients DMD chez qui une scoliose débutait, une plus grande activité EMG a été détectée sur le côté concave. Il semble donc que les patients AF ayant une activité EMG plus grande du côté concave, pourraient voir leur déformation progresser au cours des prochains mois malgré le fait que leur angle de Cobb soit déjà important.

Plusieurs études ont démontré une association entre l’agrégation érythrocytaire du milieu sanguin et plusieurs anomalies hémorhéologiques. Cette agrégation peut être quantifiée à l'aide du coefficient de rétrodiffusion ultrasonore. Pour décrire l’interaction entre l'onde ultrasonore et les tissus biologiques, on se sert de modèles. Ainsi, le modèle de facteur de structure (MFS) est utilisé pour évaluer le coefficient de rétrodiffusion des globules rouges agrégés. Toutefois, ce modèle numérique ne permet pas des mesures en temps réel du niveau d’agrégation et n'informe pas sur la structure du milieu sanguin comme par exemple la taille de l’agrégat. Pour pallier à ces difficultés, nous proposons un modèle où la théorie du milieu effectif est combinée au modèle de facteur de structure. Tout en permettant une mesure en temps réel de l’agrégation, ce modèle nommé TMEMFS fournit en plus deux indices structuraux de l’agrégation: le rayon de l’agrégat ainsi que sa compacité. Par le biais de simulations numériques en 3D, on a comparé le coefficient de rétrodiffusion suivant les modèles MFS et TMEMFS. Ceci dans le but de vérifier que dans la solution du problème direct, les propriétés acoustiques des globules rouges et les propriétés structurales du milieu agrégeant correspondaient à la réalité. Pour simuler des agrégats de globules rouges, une disposition hexagonale compacte a été utilisée. Les effets du rayon et de la compacité sur le coefficient de rétrodiffusion ont été étudiés. Basé sur la microstructure sanguine considérée, les résultats obtenus avec le modèle TMEMFS sont semblables à ceux du modèle MFS. Ce travail constitue un support théorique pour une mesure quantitative in vivo de l’agrégation érythrocytaire à des fins diagnostics. / Many studies have reported that an enhanced level of red blood cell aggregation is associated with the presence of hemorheological disorders. Pathological aggregation has been characterized by quantitative ultrasound based on the backscattering coefficient. In order to describe the interaction between the incident ultrasound and the interrogated biological tissues, mathematical models are used. Mathematical modeling is known to be the optimal way to describe the interaction occurring between ultrasound and tissues at the cellular level. The structure factor model (SFM), considered as the exact scattering model has been developed to predict the backscattering coefficient from blood. However, the numerical SFM cannot be applied in real time for practical measurements and does not provide aggregate size to assess the level of aggregation. Therefore, we come up with a new model based on the effective medium theory in order to tackle this difficulty. The effective medium theory combined with the structure factor model (EMTSFM) can be applied in real time and contrary to the SFM provides two indices of the aggregate state in vivo: aggregate size and compactness. Based on a 3D simulation study, the backscattering coefficients (BSCs) predicted by the effective medium theory combined with the Structure Factor Model (EMTSFM) are compared to the BSCs computed with SFM. Our aim here is to assess the accuracy of the EMTSFM against the SFM by comparing their BSC in the framework of a forward problem, i.e., the calculation of the BSC from the known acoustic and structure aggregate parameters. This was done in order to validate the proposed model. To simulate aggregates, RBCs are stacked following a hexagonal close packing scheme. The influences of the aggregate radius and compactness on the BSC are studied as well. The results showed good agreement between the SFM and the EMTSFM based on our simulated microstructure of RBC aggregates. Our work provides thus the theoretical background to assess locally the aggregation level for diagnosis purposes. / Le travail a été réalisé en collaboration avec le laboratoire de mécanique acoustique de Marseille, France. Les simulations ont été menées avec les langages Matlab et C. Ce projet s'inscrit dans le champ de recherche dénommé caractérisation tissulaire par ultrasons.

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