Alors que l’Imagerie par résonance magnétique (IRM) permet d’obtenir un large éventail de données anatomiques et fonctionnelles, les scanneurs cliniques sont généralement restreints à l’utilisation du proton pour leurs images et leurs applications spectroscopiques. Le phosphore jouant un rôle prépondérant dans le métabolisme énergétique, l’utilisation de cet atome en spectroscopie RM présente un énorme avantage dans l’observation du corps humain. Cela représente un certain nombre de déEis techniques à relever dus à la faible concentration de phosphore et sa fréquence de résonance différente. L’objectif de ce projet a été de développer la capacité à réaliser des expériences de spectroscopie phosphore sur un scanneur IRM clinique de 3 Tesla. Nous présentons ici les différentes étapes nécessaires à la conception et la validation d’une antenne IRM syntonisée à la fréquence du phosphore. Nous présentons aussi l’information relative à réalisation de fantômes utilisés dans les tests de validation et la calibration. Finalement, nous présentons les résultats préliminaires d’acquisitions spectroscopiques sur un muscle humain permettant d’identiEier les différents métabolites phosphorylés à haute énergie. Ces résultats s’inscrivent dans un projet de plus grande envergure où les impacts des changements du métabolisme énergétique sont étudiés en relation avec l’âge et les pathologies. / Although magnetic resonance imaging (MRI) provides a wide array of anatomical and functional contrasts, clinical MRI systems are typically limited to imaging of tissue water and spectroscopy based on hydrogen atoms in more complex molecules. Given the important role of phosphate metabolism in virtually all biological processes, there has been considerable interest in the development of technology allowing detection and spectroscopy of magnetic resonance signals associated with phosphorus in the human body. This poses a number of technical challenges, due to the lower natural abundance and resonant frequency of phosphorus. The objective of this project was to develop and implement a basic in vivo phosphorus capability on a clinical 3 Tesla MRI scanner. We present here the various steps toward building and testing a working prototype of MR coil tuned to phosphorus frequency. We also provide information on building a set of test phantoms required for this project that can be used for signal calibration. Finally we show preliminary phosphorus spectra from muscle, in human subjects, demonstrating the main constituents in high-energy phosphate metabolism. These results pave the way for future applications in which the metabolic physiology of the human brain will be studied during aging and in disease.

L'objectif de ces travaux a été de mettre en pratique l'utilisation de nanoparticules multimodales (NPs) à base de lanthanides pour l'imagerie biomédicale en général et le suivi de cellules mésenchymateuses (MSCs) en particulier. Dans cette optique, deux types de NPs ont été utilisées, présentant toutes deux une matrice d'oxysulfure de gadolinium (Gd2O2S) permettant l'imagerie par résonnance magnétique (IRM) et la tomodensitométrie. L'ajout d'éléments dopants apporte des propriétés de fluorescence : l'europium (Gd2O2S :Eu3+), plus adapté à un examen in vitro et le couple ytterbium/thulium (Gd2O2S :Yb3+/Tm3+) à un examen in vivo grâce au phénomène de conversion ascendante de photons (up-conversion). Nous avons, dans un premier temps, démontré la possibilité de visualiser ces NPs au cours du temps au sein d'un organisme vivant par des méthodes complémentaires (IRM et fluorescence). L'étude complète de leur distribution et des voies d'élimination nous a permis de mettre en évidence une métabolisation hépatobiliaire associée à une lente excrétion dans les fèces. Le marquage d'un grand nombre de types cellulaires (lignées et cellules primaires d'espèces différentes) a également mis en avant leur potentiel en tant que traceur cellulaire universel. Nous avons par la suite concentré nos travaux sur le suivi de cellules mésenchymateuses dans un contexte de thérapie cellulaire. La biocompatibilité cellulaire à court, moyen et long terme a été validée par une série d'analyses (MTT, rouge neutre, wound healing, différenciation) et la fiabilité du traceur a été confirmée par l'étude approfondie du marquage cellulaire. Enfin, après mise au point d'un système personnalisé dédié à l'imagerie par up-conversion chez le petit animal, nous avons pu réaliser le suivi de ces cellules marquées, au cours du temps après injection dans un organe solide. Nous avons alors été en mesure de visualiser les MSCs par imagerie multimodale : IRM ; tomodensitométrie et fluorescence par up-conversion. L'ensemble de ces résultats met en avant le potentiel de ces nanoparticules pour l'imagerie à long terme dans des études précliniques et/ou cliniques. / The objective of these works was to put into practice the use of lanthanide-based multimodal nanoparticles (NPs) for biomedical imaging in general and mesenchymal cells (MSCs) tracking in particular. To that purpose, two types of NPs have been used, both presenting a gadolinium oxysulfide (Gd2O2S) matrix allowing magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography. The addition of dopant elements brings fluorescence properties: europium (Gd2O2S :Eu3+) is more appropriate for an in vitro examination whereas the combination ytterbium/thulium (Gd2O2S :Yb3+/Tm3+) is more appropriate for an in vivo examination through the up-conversion process. First, we have demonstrated the possibility of visualizing those NPs over-time in a living organism with complementary methods (MRI and fluorescence). The complete study of their biodistribution and ways of elimination allowed us to highlight a hepatobiliary metabolization associated with a slow feces excretion. The labeling of a wide variety of cell types (lines and primary cells from different species) has also pointed out their potential as a universal cell tracer. Thereafter, we focused our research on mesenchymal cells tracking in a cell therapy context. Short, medium and long term biocompatibility was validated via a series of analyses (MTT, neutral red, wound healing and differentiation) and the reliability of the tracer was confirmed by detailed study of the cell labeling. Finally, after developing a custom-made system dedicated to up-conversion imaging in small animals, we were able to perform over-time tracking of those labeled cells after injection in a solid organ. We achieved multimodal imaging of the MSCs with MRI, computed tomography and up-conversion. Altogether, these results underline the potential of these nanoparticles for long term imaging in preclinical and/or clinical studies.

Mise en oeuvre de circuits intégrés dédiés à l’analyse des corrélations temporelles des tavelures optiquesOn pourrait chercher à exploiter, à des fins de diagnostic médical, la forte pénétration au sein des tissus biologiques de la lumière située dans l’infrarouge proche. Cependant la nature diffusante des tissus brouille fortement l’information spatiale, et il faut mesurer plusieurs paramètres pour obtenir des informations pertinentes, avec par exemple des mesures résolues en temps, ou des mesures de corrélations de speckle. Ces dernières sont délicates de par le faible flux lumineux dans un grain de speckle et les temps de corrélations très courts observés avec les tissus. L’équipe d’optique en milieu aléatoire du Laboratoire de Physique des Lasers a développé, en collaboration avec l’Institut d’Electronique Fondamentale, un concept de circuit multipixels dédié à la détection et à l’analyse du speckle. Ce circuit traite individuellement différents grains de speckle en parallèle, et calcule en temps réel une grandeur moyenne sur l’ensemble des pixels, améliorant ainsi le rapport signal à bruit. Chaque pixel de détection est capable d’effectuer une détection synchrone du signal, et de calculer différentes corrélations temporelles. L’objectif de cette thèse était de caractériser une nouvelle génération de circuits, et de les mettre en oeuvre dans différentes expériences d’optique diffuse. Nous avons pu, au cours de ces travaux, mesurer les corrélations temporelles du speckle en fonction du temps de transit à travers 4cm de lait, et ce malgré la décorrélation très rapide observée dans ce cas. Nous avons également réalisé des expériences d’imagerie acousto-optique, en collaboration avec l’Institut Langevin, en développant un nouveau protocole de mesure adapté à notre technologie. / Implementation of Application Specific Integrated Circuits dedicated to the analysis of speckle patterns temporal correlationsThe fact that near infrared light has a good penetration depth inside biological tissues calls to its exploitation for medical diagnosis purposes. However, given their scattering nature, tissues strongly blur the spatial information. One therefore needs to measure several parameters in order to obtain pertinent information. One can for instance use time-resolved detection, or measure speckle correlations. The latter implies serious technological bottlenecks due to the weakness of the light flux in one speckle grain, and due to the very short correlation times observed in tissues. The biomedical optics group of Laboratoire de Physique de Lasers, in collaboration with Institut d'Electronique Fondamentale, has developed a concept of multipixels ASIC dedicated to speckle detection and analysis. This device processes different speckle grains in parallel, and computes an averaged value across all the pixels in real time in order to improve the signal to noise ratio. Each detection pixel can perform a lock-in detection of the signal, and compute different time correlations. The objective of this thesis is to characterize a new generation of circuits, and to implement them in different experiments on diffuse light propagation. One highlight of this work is the fact that we could compute speckle time correlation as a function of the transit time through 4 cm of milk, despite the very fast decorrelation obtained with such a medium. In addition, we performed acousto-optic imaging experiments with our partners from Institut Langevin, developing for that purpose a new protocol appropriate to our technology.

Le document écrit d'information et de consentement éclairé (DICE) en recherche biomédicale a une très grande importance, c'est pourquoi sa qualité est primordiale. Cependant, nombreuses publications soulignent sa faible lisibilité et la difficulté à le comprendre. Nous avons souhaité étudier les documents d'information et de consentement français. Dans un premier temps, nous avons montré que la lisibilité lexicosyntaxique des formulaires d'information et de consentement était plus faible que celle de sujets d'agrégation par exemple. Nous avons ensuite décrit que les comités de protection des personnes n'amélioraient pas la lisibilité lexicosyntaxique et qu'ils augmentaient la longueur et la complexité du document. Nous avons ensuite comparé la lisibilité et la densité d'information de documents d'information et de textes de vulgarisation scientifique. Les formulaires d'information et de consentement sont peu lisibles et peu denses. Puis, grâce à notre questionnaire QCFic validé, nous avons pu montrer qu'améliorer la lisibilité lexicosyntaxique ou demander à un groupe de travail de corriger le document d'information permet une meilleure compréhension des formulaires d'information et de consentement chez des volontaires sains. Cependant, chez des malades, , nous avons testé les deux techniques d'amélioration des formulaires d'information mais aucune des deux n'a d'effet. Il semble donc nécessaire de réaliser une étude en situation réelle, en plan factoriel où seraient évalués d'une part la modification lexicosyntaxique des formulaires d'information et de consentement, d'autre part l'intervention d'une tierce personne dans le processus d'information

Les nanocristaux à structure non-centrosymétrique présentent des propriétés optiques non linéaires prometteuses pour une utilisation en tant que marqueurs optiques en imagerie biomédicale, avec un intérêt significatif en termes de suivi sur de longues durées et de profondeur de pénétration dans les tissus biologiques. Le développement de ces marqueurs nécessite la détermination de leurs efficacités optiques non linéaires afin de pouvoir sélectionner les nanocristaux les plus prometteurs. Pour cela, la technique de diffusion Hyper-Rayleigh a été adaptée à la caractérisation de suspensions de nanoparticules (BaTiO3, KNbO3, KTP, LiNbO3 et ZnO, BiFeO3) pour lesquelles l'influence de paramètres comme la taille, la concentration ou l'état d'agrégation a été analysée et discutée. Les nanocristaux de BiFeO3 possèdent une efficacité optique non linéaire largement supérieure aux autres particules, démontrant leur potentiel pour la réalisation de nano-sondes optiques particulièrement performantes. Des mesures résolues en polarisation ont également été mises en œuvre pour déterminer les coefficients optiques non linéaires indépendants des particules étudiées. Dans ce cadre, une étude a permis de mettre en évidence l'influence de la forme des nanocristaux sur cette réponse.

Les lésions de cartilage ne cicatrisent pas spontanément et la réparation de ce tissu est un challenge. Les techniques chirurgicales restant insatisfaisantes, la thérapie cellulaire et l'ingénierie tissulaire sont maintenant envisagées. La transplantation de chondrocytes autologues (TCA) existe déjà mais cette procédure nécessite l'amplification des chondrocytes qui s'accompagne d'une perte du phénotype différencié (dont l'indicateur est le collagène de type II), au profit d'un phénotype fibroblastique (dont l'indicateur est le collagène de type I, retrouvé dans les tissus fibreux). La TCA conduit donc à une greffe de chondrocytes dédifférenciés produisant un fibrocartilage, dont les propriétés mécaniques sont différentes du cartilage hyalin natif. L'objectif de mes travaux était de développer un nouveau kit d'ingénierie tissulaire du cartilage par association de chondrocytes humains, de biomatériaux et d'une sélection de facteurs solubles. Nous avons utilisé le cocktail FGF-2/insuline (FI) pour l'amplification cellulaire et le cocktail BMP-2/insuline/T3 (BIT) pour redifférencier les chondrocytes dans des éponges de collagène. Nos résultats ont montré que cette combinaison permet la synthèse d'une matrice cartilagineuse dans les supports collagène. Cependant, cette synthèse s'est trouvée favorisée en périphérie des éponges cultivées en conditions statiques. Nous avons ensuite utilisé un bioréacteur pour perfuser les éponges et nos résultats ont révélé alors un dépôt plus homogène de cartilage dans ces supports. De manière très intéressante, nous avons aussi observé l'arrêt de l'expression du collagène de type I. Ainsi, notre approche multifactorielle combinant des chondrocytes humains, des biomatériaux collagène, une combinaison FI-BIT et une culture en perfusion permet la reconstruction d'un cartilage non fibrotique

L'IRM joue un rôle extrêmement important dans l'évaluation de nouvelles thérapies anti-tumorale vis-à-vis des gliomes tant en préclinique, qu'en clinique. L'objectif de cette thèse est de déterminer si un ou plusieurs paramètres IRM peuvent être utilisés comme indicateur d'effet thérapeutique sur des modèles de gliomes chez le rat. Nous avons évalué différents paramètres IRM (ADC : coefficient de diffusion apparent de l'eau, BVf : volume sanguin et VSI : index de taille des vaisseaux) sur 6 modèles de gliomes étudiés pour le même volume tumorale, puis au cours d'un suivi longitudinal de 2. Ces 2 études ont permis de valider ces paramètres IRM (robustesse des techniques, validation biologique). Dans une 3ème étude, nous avons suivi l'évolution de ces paramètres en y ajoutant la mesure de la perméabilité des vaisseaux à un agent de contraste, et ce lors du suivi de 2 thérapies (chimiothérapie et anti-angiogénique). Dans une dernière étude nous avons complété ce protocole par la perméabilité quantitative à deux agents de contraste de taille différente ainsi que la mesure de la saturation sanguine en oxygène (lSO2) lors du suivi de l'effet de 2 thérapies (anti-angiogénique et radiothérapie par rayonnement synchrotron) appliquées seules ou en combinaison sur un modèle de gliome. L'IRM multiparamétrique telle que présentée dans les différentes études, apparaît comme une modalité d'imagerie ayant un fort potentiel pour l'évaluation en préclinique de nouveaux médicaments sur les tumeurs cérébrales. Le transfert clinique des nouvelles techniques IRM utilisées durant cette thèse (VSI, perméabilité à 2 agents de contraste, lSO2) peut maintenant être envisagé dans un futur proche.

Les principales thématiques que j’ai abordées depuis ma nomination en tant que maitre de conférences en 1995, sont très diversifiées. Ce mémoire s’articule autour de 3 chapitres. Le premier " Mécanique-Matériaux " expose dans une première partie, les travaux que nous avons menés sur un mode de dégradation des bétons, l’alcali-réaction et notre proposition de réparation par matériaux composites des ouvrages atteints. La seconde partie expose nos travaux sur des lois d’interfaces substitutives à des couches minces souples et rigides par une modélisation asymptotique. Le deuxième chapitre " Matériaux souples – Structures pressurisées " développe une méthode d’identification des termes en cisaillement de la matrice d’élasticité de matériaux composites souples. D’un point de vue structural, nous avons étudié le comportement mécanique d’éléments pressurisés cylindriques en considérant l’orthotropie du matériau. Nous avons orienté nos travaux vers des poutres de Timoshenko dans l’espace en tenant compte de l’aspect orthotrope du matériau, des non-linéarités géométriques et des forces suiveuses induites par la pression interne. Le dernier chapitre " Mécanique appliquée à la biomécanique " expose 3 projets transversaux liés à la biomécanique. Le premier projet porte sur le développement d’attelles orthopédiques de maintien d’enfants atteints d’Invalidité Motrice et Cérébrale. Le deuxième projet traite d’un dispositif interne destiné à corriger la scoliose chez l’enfant tout en s’auto-adaptant à sa croissance. Le dernier projet concerne la conception et la réalisation d’un mannequin de jambe destiné à des crashtests pour l’amélioration de la sécurité des piétons. L’ensemble de ces travaux couvrent des approches très variées où les aspects théoriques, expérimentaux et numériques sont abordés.

Alors que l’Imagerie par résonance magnétique (IRM) permet d’obtenir un large éventail de données anatomiques et fonctionnelles, les scanneurs cliniques sont généralement restreints à l’utilisation du proton pour leurs images et leurs applications spectroscopiques. Le phosphore jouant un rôle prépondérant dans le métabolisme énergétique, l’utilisation de cet atome en spectroscopie RM présente un énorme avantage dans l’observation du corps humain. Cela représente un certain nombre de déEis techniques à relever dus à la faible concentration de phosphore et sa fréquence de résonance différente. L’objectif de ce projet a été de développer la capacité à réaliser des expériences de spectroscopie phosphore sur un scanneur IRM clinique de 3 Tesla. Nous présentons ici les différentes étapes nécessaires à la conception et la validation d’une antenne IRM syntonisée à la fréquence du phosphore. Nous présentons aussi l’information relative à réalisation de fantômes utilisés dans les tests de validation et la calibration. Finalement, nous présentons les résultats préliminaires d’acquisitions spectroscopiques sur un muscle humain permettant d’identiEier les différents métabolites phosphorylés à haute énergie. Ces résultats s’inscrivent dans un projet de plus grande envergure où les impacts des changements du métabolisme énergétique sont étudiés en relation avec l’âge et les pathologies. / Although magnetic resonance imaging (MRI) provides a wide array of anatomical and functional contrasts, clinical MRI systems are typically limited to imaging of tissue water and spectroscopy based on hydrogen atoms in more complex molecules. Given the important role of phosphate metabolism in virtually all biological processes, there has been considerable interest in the development of technology allowing detection and spectroscopy of magnetic resonance signals associated with phosphorus in the human body. This poses a number of technical challenges, due to the lower natural abundance and resonant frequency of phosphorus. The objective of this project was to develop and implement a basic in vivo phosphorus capability on a clinical 3 Tesla MRI scanner. We present here the various steps toward building and testing a working prototype of MR coil tuned to phosphorus frequency. We also provide information on building a set of test phantoms required for this project that can be used for signal calibration. Finally we show preliminary phosphorus spectra from muscle, in human subjects, demonstrating the main constituents in high-energy phosphate metabolism. These results pave the way for future applications in which the metabolic physiology of the human brain will be studied during aging and in disease.

Parmi les approches d'imagerie préclinique, les techniques optiques sur petit animal fournissent une information fonctionnelle sur un phénomène biologique ainsi que sur sa localisation. De récents développements permettent d'exploiter ces méthodes dans le cadre de l'imagerie sur animal vigile. Les conditions physiologiques se rapprochent alors de celles du fonctionnement normal de l'organisme. Les travaux de cette thèse ont porté sur l'utilisation optimale de cette modalité via des méthodes originales d'analyse et de traitement.Les problèmes soulevés par la fusion des flux cinématiques et de données de bioluminescence nous ont amené à proposer des approches complémentaires d’estimationde mouvement de l’animal. La représentation sous forme implicite des informations issuesde la vidéo de l’animal permettent de construire un critère robuste à minimiser. L’ajout d’uncritère global mesurant la compacité du signal optique permet de considérer dans sa totalité les données multicanaux acquises pour augmenter la précision du recalage. Finalement ces deux modélisations offrent des résultats pertinents et validés expérimentalement.Dans le but de s'affranchir des contraintes de l'observation planaire de nos données nous avons conçu une méthode d’estimation du mouvement 3D de l’animal à partir d’un modèle pré-calculé. Grâce à un système d'acquisition multi-vues et simultanée de la scène, il est possible d’ajouter une contrainte sur l'estimation de la position de la source pour rendre robuste le suivi des poses issues de la vidéo. Les résultats expérimentaux montrent le potentiel de cette méthode pour fournir des mesures 3D précises sur l'animal vigile. / Optical imaging techniques, have taken, since many years, a great part in the preclinicalstudies. The luminescence signal could be now recorded with a short time resolution whichenables studies with freely moving animals. This is an improvement because several studieshighlighted the impact of anesthetics agent and animal handling to perform studies inphysiological conditions. In this thesis, we define the tools, based on computer visionmethods, which offer the possibility to express the potential of this modality.In some cases, animal movement and low signal produce weak localization of the signal.Therefore we propose to improve localization of the optical data for a freely moving animal byusing motion field obtained from the multi-channel data. First, we introduce silhouetteconstraints and landmarks on the mouse skin within a variation framework. To take intoaccount all data in the registration framework, we combine the previously defined criteria,with global ones which measure compactness of signal distribution. Fusion is formulated as adiscrete population framework which produces strong experimental results in comparison topairwise method.In the last part, we propose an original approach to enable 3D optical imaging in case offreely moving animal. Therefore, we present a novel model-based method to animal trackingfrom monocular video which allows the 3D measurement of the signal. The 3D animal poseand the illumination are dynamically estimated through minimization of an objective functionwith constraints on the signal position. Experimental results demonstrate the potential of ourapproach for 3D accurate measurement with freely moving animal.