La dent est un tissu vivant, confronté tout au long de la vie à de multiples agressions (caries, traumatismes...) qui peuvent entraîner la nécrose de la pulpe. La mise au point d’une «pulpe équivalente» pourrait constituer une approche thérapeutique innovante comme alternative aux traitements actuels d’endodontie. La pulpe des dents temporaires constitue un réservoir de cellules souches mésenchymateuses (SHED Stem cells from Human Exfoliated Deciduous teeth) aux potentiels de prolifération et de différenciation élevés. L’objectif global de ce travail est de reconstituer un tissu pulpaire fonctionnel en développant une pulpe équivalente (cellules pulpaires mésenchymateuses ensemencées dans une matrice 3D de collagène) pour être greffée à l’intérieur de la chambre pulpaire préalablement évidée afin de conserver la vitalité de la dent. Les objectifs spécifiques ont été : In vitro : 1) d'étudier le potentiel angiogénique des SHED comparés à des fibroblastes dermiques en conditions normoxiques et hypoxiques, 2) de déterminer la durée de pré-conditionnement hypoxique optimale pour stimuler le potentiel angiogénique des SHED, 3) de sélectionner une potentielle cytokine activant la formation de capillaires, 4) d’analyser l’effet de l’hypoxie sur l’expression des marqueurs de surfaces des SHED, et 5) de vérifier que l’hypoxie n’altérait pas le potentiel de minéralisation de ces cellules. In vivo : 1) d’évaluer, dans un modèle pré-clinique d’implantation de pulpes équivalentes en site ectopique chez la souris, l’effet du pré-conditionnement hypoxique sur le potentiel angiogénique des SHED. Ces expériences ont d’abord été conduites avec des cellules pulpaires de souris puis confirmées avec des SHED implantées dans des souris immunodéficientes, et 2) de développer des techniques d’imagerie dynamique pour suivre la néoangiogenèse dans les pulpes équivalentes implantées. Enfin, dans un objectif de transfert vers la clinique dentaire humaine, nous avons étudié l’effet d’un nouveau biomatériau à base de calcium tricalcique sur la réparation tissulaire dans un modèle de blessure pulpaire chez le rat, en comparaison aux matériaux de référence. / The tooth is a living organ, faced throughout life to multiple attacks (caries, trauma ...) which can cause necrosis of the pulp. The development of a" pulp equivalent " could be an innovative therapeutic approach as an alternative to current endodontic treatments. The pulp of deciduous teeth is a reservoir of mesenchymal stem cells (Stem cells SHED from Human Exfoliated Deciduous teeth) with a high potential of proliferation and differentiation. The overall objective of this work was to reconstitute a functional pulp tissue by developing a pulp equivalent (pulp mesenchymal cells seeded in a 3D collagen matrix) to be grafted within the previously hollowed pulp chamber to maintain tooth vitality. The specific objectives were: In vitro: 1) to study the angiogenic potential of SHED compared with dermal fibroblasts in normoxic and hypoxic conditions. 2) to determine the optimal hypoxic preconditioning period to stimulate the angiogenic potential of SHED, 3) to identify a potential cytokine activating the capillary formation, 4) to analyze the effect of hypoxia on the expression of markers surfaces SHED, and 5) to check that hypoxia did not alter the mineralization potential of these cells. In vivo: 1) to evaluate, in a pre-clinical model of pulp equivalent implantation in ectopic site in mice, the effect of either hypoxic or FGF preconditioning on the angiogenic potential of SHED. These experiments were first conducted with mouse pulp cells and further confirmed with SHED implanted in immunodeficient mice, and 2) to develop dynamic imaging techniques to monitor neoangiogenesis within pulp equivalent. Finally, in an objective of transfer to the human dental clinic, we studied the effect of a new biomaterial based on tricalcium on tissue repair in a pulp injury model in rats, compared to gold standard materials.

La dent est un tissu vivant, confronté tout au long de la vie à de multiples agressions (caries, traumatismes...) qui peuvent entraîner la nécrose de la pulpe. La mise au point d’une «pulpe équivalente» pourrait constituer une approche thérapeutique innovante comme alternative aux traitements actuels d’endodontie. La pulpe des dents temporaires constitue un réservoir de cellules souches mésenchymateuses (SHED Stem cells from Human Exfoliated Deciduous teeth) aux potentiels de prolifération et de différenciation élevés. L’objectif global de ce travail est de reconstituer un tissu pulpaire fonctionnel en développant une pulpe équivalente (cellules pulpaires mésenchymateuses ensemencées dans une matrice 3D de collagène) pour être greffée à l’intérieur de la chambre pulpaire préalablement évidée afin de conserver la vitalité de la dent. Les objectifs spécifiques ont été : In vitro : 1) d'étudier le potentiel angiogénique des SHED comparés à des fibroblastes dermiques en conditions normoxiques et hypoxiques, 2) de déterminer la durée de pré-conditionnement hypoxique optimale pour stimuler le potentiel angiogénique des SHED, 3) de sélectionner une potentielle cytokine activant la formation de capillaires, 4) d’analyser l’effet de l’hypoxie sur l’expression des marqueurs de surfaces des SHED, et 5) de vérifier que l’hypoxie n’altérait pas le potentiel de minéralisation de ces cellules. In vivo : 1) d’évaluer, dans un modèle pré-clinique d’implantation de pulpes équivalentes en site ectopique chez la souris, l’effet du pré-conditionnement hypoxique sur le potentiel angiogénique des SHED. Ces expériences ont d’abord été conduites avec des cellules pulpaires de souris puis confirmées avec des SHED implantées dans des souris immunodéficientes, et 2) de développer des techniques d’imagerie dynamique pour suivre la néoangiogenèse dans les pulpes équivalentes implantées. Enfin, dans un objectif de transfert vers la clinique dentaire humaine, nous avons étudié l’effet d’un nouveau biomatériau à base de calcium tricalcique sur la réparation tissulaire dans un modèle de blessure pulpaire chez le rat, en comparaison aux matériaux de référence. / The tooth is a living organ, faced throughout life to multiple attacks (caries, trauma ...) which can cause necrosis of the pulp. The development of a" pulp equivalent " could be an innovative therapeutic approach as an alternative to current endodontic treatments. The pulp of deciduous teeth is a reservoir of mesenchymal stem cells (Stem cells SHED from Human Exfoliated Deciduous teeth) with a high potential of proliferation and differentiation. The overall objective of this work was to reconstitute a functional pulp tissue by developing a pulp equivalent (pulp mesenchymal cells seeded in a 3D collagen matrix) to be grafted within the previously hollowed pulp chamber to maintain tooth vitality. The specific objectives were: In vitro: 1) to study the angiogenic potential of SHED compared with dermal fibroblasts in normoxic and hypoxic conditions. 2) to determine the optimal hypoxic preconditioning period to stimulate the angiogenic potential of SHED, 3) to identify a potential cytokine activating the capillary formation, 4) to analyze the effect of hypoxia on the expression of markers surfaces SHED, and 5) to check that hypoxia did not alter the mineralization potential of these cells. In vivo: 1) to evaluate, in a pre-clinical model of pulp equivalent implantation in ectopic site in mice, the effect of either hypoxic or FGF preconditioning on the angiogenic potential of SHED. These experiments were first conducted with mouse pulp cells and further confirmed with SHED implanted in immunodeficient mice, and 2) to develop dynamic imaging techniques to monitor neoangiogenesis within pulp equivalent. Finally, in an objective of transfer to the human dental clinic, we studied the effect of a new biomaterial based on tricalcium on tissue repair in a pulp injury model in rats, compared to gold standard materials.

La dent est un tissu vivant, confronté tout au long de la vie à de multiples agressions (caries, traumatismes...) qui peuvent entraîner la nécrose de la pulpe. La mise au point d’une «pulpe équivalente» pourrait constituer une approche thérapeutique innovante comme alternative aux traitements actuels d’endodontie. La pulpe des dents temporaires constitue un réservoir de cellules souches mésenchymateuses (SHED Stem cells from Human Exfoliated Deciduous teeth) aux potentiels de prolifération et de différenciation élevés. L’objectif global de ce travail est de reconstituer un tissu pulpaire fonctionnel en développant une pulpe équivalente (cellules pulpaires mésenchymateuses ensemencées dans une matrice 3D de collagène) pour être greffée à l’intérieur de la chambre pulpaire préalablement évidée afin de conserver la vitalité de la dent. Les objectifs spécifiques ont été : In vitro : 1) d'étudier le potentiel angiogénique des SHED comparés à des fibroblastes dermiques en conditions normoxiques et hypoxiques, 2) de déterminer la durée de pré-conditionnement hypoxique optimale pour stimuler le potentiel angiogénique des SHED, 3) de sélectionner une potentielle cytokine activant la formation de capillaires, 4) d’analyser l’effet de l’hypoxie sur l’expression des marqueurs de surfaces des SHED, et 5) de vérifier que l’hypoxie n’altérait pas le potentiel de minéralisation de ces cellules. In vivo : 1) d’évaluer, dans un modèle pré-clinique d’implantation de pulpes équivalentes en site ectopique chez la souris, l’effet du pré-conditionnement hypoxique sur le potentiel angiogénique des SHED. Ces expériences ont d’abord été conduites avec des cellules pulpaires de souris puis confirmées avec des SHED implantées dans des souris immunodéficientes, et 2) de développer des techniques d’imagerie dynamique pour suivre la néoangiogenèse dans les pulpes équivalentes implantées. Enfin, dans un objectif de transfert vers la clinique dentaire humaine, nous avons étudié l’effet d’un nouveau biomatériau à base de calcium tricalcique sur la réparation tissulaire dans un modèle de blessure pulpaire chez le rat, en comparaison aux matériaux de référence. / The tooth is a living organ, faced throughout life to multiple attacks (caries, trauma ...) which can cause necrosis of the pulp. The development of a" pulp equivalent " could be an innovative therapeutic approach as an alternative to current endodontic treatments. The pulp of deciduous teeth is a reservoir of mesenchymal stem cells (Stem cells SHED from Human Exfoliated Deciduous teeth) with a high potential of proliferation and differentiation. The overall objective of this work was to reconstitute a functional pulp tissue by developing a pulp equivalent (pulp mesenchymal cells seeded in a 3D collagen matrix) to be grafted within the previously hollowed pulp chamber to maintain tooth vitality. The specific objectives were: In vitro: 1) to study the angiogenic potential of SHED compared with dermal fibroblasts in normoxic and hypoxic conditions. 2) to determine the optimal hypoxic preconditioning period to stimulate the angiogenic potential of SHED, 3) to identify a potential cytokine activating the capillary formation, 4) to analyze the effect of hypoxia on the expression of markers surfaces SHED, and 5) to check that hypoxia did not alter the mineralization potential of these cells. In vivo: 1) to evaluate, in a pre-clinical model of pulp equivalent implantation in ectopic site in mice, the effect of either hypoxic or FGF preconditioning on the angiogenic potential of SHED. These experiments were first conducted with mouse pulp cells and further confirmed with SHED implanted in immunodeficient mice, and 2) to develop dynamic imaging techniques to monitor neoangiogenesis within pulp equivalent. Finally, in an objective of transfer to the human dental clinic, we studied the effect of a new biomaterial based on tricalcium on tissue repair in a pulp injury model in rats, compared to gold standard materials.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet RNTS R-MOD qui visait le développement d'un simulateur morpho-fonctionnel des voies respiratoires. Des méthodes de visualisation et de quantification de flux gazeux pulmonaires par IRM des gaz hyperpolarisés (GHP) ont été développées pour pouvoir valider les résultats du simulateur.<br />Pour atteindre cet objectif, un système adapté à l'environnement spécifique de l'IRM a été développé pour permettre l'administration de GHP de manière contrôlée, et différentes approches d'imagerie du flux de GHP ont été explorées.<br />La 1ère approche est basée sur de l'imagerie dynamique de l'inspiration de GHP. Ce type d'expérience est analysé. L'évolution du phénomène est trop rapide pour être observée correctement avec les techniques actuelles. Néanmoins, un état d'équilibre dynamique de la répartition spatiale de l'aimantation dans les poumons lors d'inspirations en régime stationnaire est observable. Les paramètres dont dépend cet équilibre et une partie de ce qui peut être quantifié par le biais de ce type d'expérience ont été formalisés et les concepts introduits ont été validés par différentes expériences d'imagerie dynamique.<br />La 2ième approche, quantitative, est basée sur la vélocimétrie par contraste de phase combinée à l'imagerie radiale rapide. D'abord validée quantitativement sur des fantômes d'écoulement connus (tube droit, coude, bifurcation), la technique a ensuite été appliquée sur un modèle réaliste d'arbre bronchique et comparée à une simulation numérique des écoulements. Les 3 composantes de la vitesse ont été mesurées en environ 1 s avec une résolution spatiale du mm et une précision du cm•s-1. Enfin, la faisabilité in vivo de la mesure de vitesse dans les voies aériennes pulmonaires a été démontrée dans la trachée lors d'une inspiration.<br />Cet outil de caractérisation des écoulements à l'aide de l'IRM des GHP ouvre des voies prometteuses aussi bien pour la physique des écoulements que pour les applications médicales.

Les techniques mathématiques de reconstruction d'image jouent un rôle important dans le domaine médical. Elles permettent d'exploiter, par résolution d'un problème inverse, les mesures issues d'appareils médicaux comme le scanner pour obtenir une image volumique représentant la répartition spatiale d'une propriété, comme la densité des tissus. Les progrès des scanners rendent désormais possible l'étude dynamique de certains organes, comme le coeur. Cependant, les techniques de reconstruction classiques doivent être améliorées pour prendre en compte les évolutions des organes durant l'acquisition des mesures, qui provoquent une perte de qualité et donc d'information dans les images reconstruites. L'objectif de ce travail de thèse est d'investiguer l'usage de modèles additionnels permettant de régulariser le problème de reconstruction tomographique. Dans une première étude, nous approfondissons les méthodes couramment utilisées en tomographie cardiaque basées sur l'utilisation d'un modèle de périodicité de l'évolution. Nous étudions les problèmes de synchronisation dans les géométries parallèles et divergentes et leur lien avec l'échantillonnage des mesures. Nous proposons par ailleurs un schéma de reconstruction amélioré dans le cas des géométries divergentes. La seconde étude concerne les méthodes dites de compensation du mouvement, qui utilisent dans l'algorithme de reconstruction un modèle de déformation de la scène connu a priori. Nous proposons des méthodes analytiques de reconstruction qui compensent les déformations affines dépendant du temps, en établissant des conditions d'admissibilité et des formules d'inversion exactes.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous somme focalisés sur deux objectifs complémentaires. Le premier concerne l'évolution de la méthode du Gabarit Déformable Elastique (GDE) pour l'extraction semi-automatique de l'anatomie et du mouvement cardiaque, développée au laboratoire Creatis. Un travail a d'abord été réalisé sur une base de données de 45 patients afin de mettre en évidence les points forts et les points faibles de l'algorithme, notamment la difficulté à suivre des déformations trop importantes ou des formes inhabituelles. Puis, différents types de contraintes ont été intégrées au modèle GDE afin d'en améliorer les performances : prescription locale ou dense de déplacements, directionnalité de la déformation contrainte par celle des fibres. Les contraintes proposées sont évaluées sur des données de synthèse et des données réelles en IRM ciné et de marquage tissulaire acquises chez l'homme. Parallèlement, une étude a été réalisée pour mettre en place la méthodologie nécessaire à l'extraction et l'analyse statistique de la déformation des fibres myocardiques. Ce travail a été effectué en collaboration avec une équipe du Auckland Bioengineering Institute en Nouvelle-Zélande. Un modèle biomécanique par éléments finis intègre la direction principale des fibres en tout point du ventricule gauche issue d'acquisitions en IRM du tenseur de diffusion (IRM-TD) sur coeurs humains ex vivo et le mouvement issu de séquences IRM marquées. Cette combinaison permet l'estimation de la déformation des fibres et sa variation durant le cycle cardiaque. La variabilité dans la déformation des fibres est étudiée statistiquement à travers le croisement d'une base de données IRM-TD et d'une base de données IRM marquées.

Le but de la radiothérapie est d’irradier les cellules cancéreuses tout en préservant au maximum les tissus sains environnants. Or, dans le cas du cancer du poumon, la respiration du patient engendre des mouvements de la tumeur pendant le traitement. Une solution possible est de repositionner continuellement le faisceau d’irradiation sur la cible tumorale en mouvement. L’e cacité et la sûreté de cette approche reposent sur la localisation précise en temps réel de la tumeur. Le suivi indirect consiste à inférer la position de la cible tumorale à partir de l’observation d’un signal substitut, visible en continu sans nécessiter de rayonnement ionisant. Un modèle de corrélation spatial doit donc être établi. Par ailleurs, pour compenser la latence du système, l’algorithme de suivi doit pouvoir également anticiper la position future de la cible. Parce que la respiration du patient varie dans le temps, les modèles de prédiction et de corrélation peuvent devenir imprécis. La prédiction de la position de la tumeur devrait alors idéalement être complétée par l’estimation des incertitudes associées aux prédictions. Dans la pratique clinique actuelle, ces incertitudes de positionnement en temps réel ne sont pas explicitement prédites. Cette thèse de doctorat s’intéresse au contrôle en temps réel de la précision du suivi indirect de tumeurs mobiles en radiothérapie. Dans un premier temps, une méthode bayésienne pour le suivi indirect en radiothérapie est développée. Cette approche, basée sur le filtre de Kalman, permet de prédire non seulement la position future de la tumeur à partir d’un signal substitut, mais aussi les incertitudes associées. Ce travail o re une première preuve de concept, et montre également le potentiel du foie comme substitut interne, qui apparait plus robuste et fiable que les marqueurs externes communément utilisés dans la pratique clinique. Dans un deuxième temps, une adaptation de la méthode est proposée afin d’améliorer sa robustesse face aux changements de respiration. Cette innovation permet de prédire des régions de confiance adaptatives, capables de détecter les erreurs de prédiction élevées, en se basant exclusivement sur l’observation du signal substitut. Les résultats révèlent qu’à sensibilité élevée (90%), une spécificité d’environ 50% est obtenue. Un processus de validation innovant basé sur ces régions de confiance adaptatives est ensuite évalué et comparé au processus conventionnel qui consiste en des mesures de la cible à intervalles de temps fixes et prédéterminés. Une version adaptative de la méthode bayésienne est donc développée afin d’intégrer des mesures occasionnelles de la position de la cible. Les résultats confirment que les incertitudes prédites par la méthode bayésienne permettent de détecter les erreurs de prédictions élevées, et démontrent que le processus de validation basé sur ces incertitudes a le potentiel d’être plus e cace que les validations régulières. Ces approches bayésiennes sont validées sur des séquences respiratoires de volontaires, acquises par imagerie par résonance magnétique (IRM) dynamique et interpolées à haute fréquence. Afin de compléter l’évaluation de la méthode bayésienne pour le suivi indirect, une validation expérimentale préliminaire est conduite sur des données cliniques de patients atteints de cancer du poumon. Les travaux de ce projet doctoral promettent une amélioration du contrôle en temps réel de la précision des prédictions lors des traitements de radiothérapie. Finalement, puisque l’imagerie ultrasonore pourrait être employée pour visualiser les substituts internes, une étude préliminaire sur l’évaluation automatique de la qualité des images ultrasonores est présentée. Ces résultats pourront être utilisés ultérieurement pour le suivi indirect en radiothérapie en vue d’optimiser les acquisitions ultrasonores pendant les traitements et faciliter l’extraction automatique du mouvement du substitut. / The goal of radiotherapy is to irradiate cancer cells while maintaining a low dose of radiation to the surrounding healthy tissue. In the case of lung cancer, the patient’s breathing causes the tumor to move during treatment. One possible solution is to continuously reposition the irradiation beam on the moving target. The e ectiveness and safety of this approach rely on accurate real-time localization of the tumor. Indirect strategies derive the target positions from a correlation model with a surrogate signal, which is continuously monitored without the need for radiation-based imaging. In addition, to compensate for system latency, the tracking algorithm must also be able to anticipate the future position of the target. Because the patient’s breathing varies over time, prediction and correlation models can become inaccurate. Ideally, the prediction of the tumor location would also include an estimation of the uncertainty associated with the prediction. However, in current clinical practice, these real-time positioning uncertainties are not explicitly predicted. This doctoral thesis focuses on real-time control of the accuracy of indirect tracking of mobile tumors in radiotherapy. First, a Bayesian method is developed. This approach, based on Kalman filter theory, allows predicting both future target motion in real-time from a surrogate signal and associated uncertainty. This work o ers a first proof of concept, and also shows the potential of the liver as an internal substitute as it appears more robust and reliable than the external markers commonly used in clinical practice. Second, an adaptation of the method is proposed to improve its robustness against changes in breathing. This innovation enables the prediction of adaptive confidence regions that can be used to detect significant prediction errors, based exclusively on the observation of the surrogate signal. The results show that at high sensitivity (90%), a specificity of about 50% is obtained. A new validation process based on these adaptive confidence regions is then evaluated and compared to the conventional validation process (i.e., target measurements at fixed and predetermined time intervals). An adaptive version of the Bayesian method is therefore developed to valuably incorporate occasional measurements of the target position. The results confirm that the uncertainties predicted by the Bayesian method can detect high prediction errors, and demonstrate that the validation process based on these uncertainties has the potential to be more e cient and e ective than regular validations. For these studies, the proposed Bayesian methods are validated on respiratory sequences of volunteers, acquired by dynamic MRI and interpolated at high frequency. In order to complete the evaluation of the Bayesian method for indirect tracking, experimental validation is conducted on clinical data of patients with lung cancer. The work of this doctoral project promises to improve the real-time control of the accuracy of predictions during radiotherapy treatments. Finally, since ultrasound imaging could be used to visualize internal surrogates, a preliminary study on automatic ultrasound image quality assessment is presented. These results can later be used for indirect tracking in radiotherapy to optimize ultrasound acquisitions during treatments and facilitate the automatic estimation of surrogate motion.

Dans le cadre de cette thèse, nous nous somme focalisés sur deux objectifs complémentaires. Le premier concerne l’évolution de la méthode du Gabarit Déformable Elastique (GDE) pour l’extraction semi-automatique de l’anatomie et du mouvement cardiaque, développée au laboratoire Creatis. Un travail a d’abord été réalisé sur une base de données de 45 patients afin de mettre en évidence les points forts et les points faibles de l’algorithme, notamment la difficulté à suivre des déformations trop importantes ou des formes inhabituelles. Puis, différents types de contraintes ont été intégrées au modèle GDE afin d’en améliorer les performances : prescription locale ou dense de déplacements, directionnalité de la déformation contrainte par celle des fibres. Les contraintes proposées sont évaluées sur des données de synthèse et des données réelles en IRM ciné et de marquage tissulaire acquises chez l’homme. Parallèlement, une étude a été réalisée pour mettre en place la méthodologie nécessaire à l’extraction et l’analyse statistique de la déformation des fibres myocardiques. Ce travail a été effectué en collaboration avec une équipe du Auckland Bioengineering Institute en Nouvelle-Zélande. Un modèle biomécanique par éléments finis intègre la direction principale des fibres en tout point du ventricule gauche issue d’acquisitions en IRM du tenseur de diffusion (IRM-TD) sur coeurs humains ex vivo et le mouvement issu de séquences IRM marquées. Cette combinaison permet l’estimation de la déformation des fibres et sa variation durant le cycle cardiaque. La variabilité dans la déformation des fibres est étudiée statistiquement à travers le croisement d’une base de données IRM-TD et d’une base de données IRM marquées. / In this thesis, we are interested in two complementary goals. First, we have improved the Dynamic Deformable Elastic Template (DET) model, developed at Creatis, for the semi-automatic extraction of the anatomy and cardiac motion. The performance of the method was assessed on a database consisting in 45 patients and yielded fairly accurate results. However, it experienced difficulties when dealing with very large thickening throughout the cardiac cycle. Thus, different type of constraints were integrated to the DET model in order to improve robustness and accuracy : local or dense prescribed displacements, deformations directionally constrained by the fibres. These constraints are evaluated on simulated and real human data, in both cine and tagged MR images. A methodology has also been developed in order to extract and statistically analyse myocardial fibre strain. This work was done in collaboration with a team at the Auckland Bioengineering Institute in New Zealand. A finite elements biomechanical model integrates the principle direction of fibres in the left ventricle from Diffusion Tensor MRI acquisitions on ex vivo human hearts and motion from tagged MRI sequences. Fibre strain and its variation throughout the cardiac cycle were estimated. Variability in fibre strain is statistically studied by joining DT-MRI and tagged MRI databases.