The field of cardiac electrophysiological imaging has advanced tremendously in the past three decades with developments in fluorescent dyes, photodetectors, optical filters, illumination sources, computers and electronics. This thesis describes several scalable multi-parametric imaging systems and their application to cardiac tissue preparations at various levels of complexity. Using off-the-shelf components, single-camera multi-parametric optical mapping systems are described for various fluorescent dye combinations and single-element photodiode-based fibre-optic detection systems are described for drug-testing applications. The instruments described take advantage of modern voltage-sensitive dyes, multi-band optical filters and powerful light-emitting-diodes, from the ultraviolet to the red. The two electrophysiological parameters focused on were transmembrane voltage and the intracellular calcium concentration. Several voltage and calcium dye combinations were established, which produce no signal cross-talk. Furthermore, second- and third-generation voltage dyes were characterized in cardiac tissue, in vitro and in vivo. The developed systems were then applied to isolated Langendorff-perfused whole-hearts, in vivo whole-hearts, thin ventricular tissue-slices and human induced pluripotent stem cell-derived cardiac tissue. The interventions applied include accurately-timed electrical and mechanical local stimulation of the whole-heart to generate ectopic beats, cardiotoxic drugs and flash-photolysis of caged-compounds. With the high-throughput demands of drug discovery and testing, further development of scalable optical electrophysiological systems may prove critical in reducing attrition and costs. And for in vivo optical mapping, development of minimally-invasive and clinically-relevant optical systems will be essential in validating existing theories based on in vitro experiments and exploring cardiac function and behaviour with the heart intact in the organism.

Les métastases sont une cause majeure de décès dans le cas du cancer. En effet, ces tumeurs secondaires peuvent se développer dans divers organes, distants de la tumeur primaire, et surviennent à des temps différents au cours de la croissance de la tumeur primaire. De nombreuses techniques d’imagerie biomédicale peuvent être utilisées pour les détecter. Parmi celles-ci, l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) a l’avantage de ne pas utiliser de rayonnements ionisants et permet de forts contrastes entre des tissus mous différents. Toutefois il est encore nécessaire de développer de nouvelles techniques IRM pour mieux caractériser les tumeurs, obtenir des données quantitatives, et réduire drastiquement les durées d’examen. Parmi les caractéristiques biophysiques mesurables par IRM, le temps de relaxation T1 semble être un bio-marqueur de l’efficacité d’une thérapie anti-cancéreuse. Cependant, sa mesure est généralement trop chronophage pour être utilisée en imagerie préclinique sur des cohortes d’animaux, ou pour une utilisation en routine clinique. Cette thèse a porté sur le développement d’une séquence de quantification T1 fiable et rapide. Elle a été appliquée pour détecter et caractériser des métastases chez la souris avec comme pré-requis de générer des images avec une résolution spatiale élevée, d’être insensible aux mouvements respiratoires et de permettre des mesures reproductibles du T1. La séquence Magnetization Prepared 2 Rapid Acquisition Gradient Echoes (MP2RAGE) à encodage cartésien a donc été choisie pour son fort potentiel de quantification T1, sa robustesse aux hétérogénéités de champ magnétique, et pour obtenir rapidement des cartes paramétriques en 3D. L’influence des paramètres de la séquence a d’abord été évaluée par simulations. Puis la séquence a été modifiée pour être compatible avec une méthode d’accélération appelée acquisition comprimée. Cette méthode a alors été utilisée soit pour réduire le temps d’acquisition des cartes T1, soit pour en améliorer la résolution spatiale. Cette nouvelle séquence MP2RAGE a alors été utilisée à 7T pour détecter et caractériser des métastases cérébrales disséminées dans le cerveau de souris. Pour détecter des métastases hépatiques, l’encodage cartésien initial s’est avéré trop sensible aux mouvements respiratoires. Il a donc été remplacé par un encodage radial, nécessitant une adaptation du schéma de reconstruction des cartes T1. Ainsi, des cartes T1 3D de l’abdomen entier de souris ont été obtenues en 9 minutes. Un suivi longitudinal de métastases hépatiques a montré des hétérogénéités de T1 inter- et intra-métastatiques. Pour une accélération supplémentaire, la séquence a été développée avec un encodage multi-coupe 2D, permettant ainsi d’utiliser les nombreux temps-morts présents dans le chronogramme. Des optimisations des paramètres de la séquence ont permis d’obtenir 6 cartes T1 en 9 s in vivo sur le cerveau et l’abdomen de souris. De plus, une étude préliminaire a montré qu’elle permettait de réaliser de la thermométrie. Une première perspective de ces travaux consiste à transférer cette séquence sur un aimant de recherche clinique. Une autre perspective serait de développer une séquence multi-coupe 3D radiale, accélérée par acquisition comprimée, applicable sur le petit-animal comme chez l’humain. Celapermettrait d’allier efficacité de la séquence, forte résolution spatiale et robustesse aux mouvements pour un large éventail d’applications. / Metastases are a leading cause of death in the case of cancer. Indeed, these secondary tumors can develop in various organs, distant from the primary tumor, and occur at different times during the growth of the primary tumor. Many biomedical imaging techniques can be used to detect them. Among these, Magnetic Resonance Imaging (MRI) has the advantage of not using ionizing radiation and allows strong contrasts between different soft tissues. However, it remains necessary to develop new MRI techniques to better characterize tumors, obtain quantitative data and to drastically reduce exam times. Among the biophysical characteristics measurable by MRI, the T1 relaxation time seems to be a biomarker of the efficiency of an anti-cancer therapy. However, its measurement is generally too time consuming to be used in preclinical imaging on cohorts of animals, or for routine clinical use. This thesis therefore had the challenge of developing a reliable and rapid T1 quantification sequence. It has been applied to detect anc characterize metastases in mice with the prerequisites of generating images with high spatial resolution, being insensitive to respiratory movements and allowing reproducible T1 measurements. The Magnetization Prepared 2 Rapid Acquisition Gradient Echoes sequence (MP2RAGE) with Cartesian encoding was therefore chosen for its high T1 quantitation potential, its robustness to magnetic field heterogeneities, and its ability to quickly obtain 3D parametric maps. First, simulations were performed to evaluate the influence of sequence parameters. Then the sequence was modified to be compatible with an acceleration method called Compressed Sensing. This method was then used either to reduce the acquisition time of the T1 maps, or to improve the spatial resolution. This new MP2RAGE sequence was then applied at 7T to detect and characterize disseminated brain metastases in the mouse. The initial Cartesian encoding proved to be too sensitive to respiratory movements to detect liver metastases. It was therefore replaced by a radial encoding, which required an adaptation of the reconstruction scheme of the T1 maps. Thus, 3D T1 maps of the entire abdomen of mice were obtained in 9 minutes. Longitudinal follow-up of hepatic metastases showed inter and intra-metastatic T1 heterogeneities. For an additional acceleration, the sequence was developed with a 2D multi-slice encoding, thus allowing to use the many dead times present in the chronogram. Optimizations of the parameters of the sequence made it possible to obtain 6 T1 maps in 9 s in vivo on the brain and the abdomen of mice. In addition, a preliminary study showed a possible application for thermometry. A first perspective of this work is to transfer this sequence to a clinical research MRI system. Another perspective would be to develop a 3D radial multi-slice sequence, accelerated by Compressed Sensing, applicable to small animals as in humans. This would combine sequence efficiency, high spatial resolution and robustness to movements for a wide range of applications.

L’IRM est de plus en plus utilisée pour diagnostiquer et évaluer un très grand nombre de pathologies. Cette technique présente cependant deux inconvénients majeurs. En effet, les examens restent encore très longs (notamment en imagerie 3D) et la quantification est très difficile par rapport à d’autres modalités comme la tomographie par émission de positons. L’objectif de ce travail de thèse a été de diminuer significativement les temps d’acquisition nécessaires pour l’imagerie volumique et de développer des techniques quantitatives robustes, permettant d’effectuer des suivis longitudinaux.Pour cela, des méthodes innovantes ont été développées à très haut champ magnétique (7T) et validées sur des modèles murins sains et pathologiques. Trois développements majeurs sont ressortis de cette thèse. Tout d’abord, une mesure rapide des temps de relaxation longitudinale (T1) a été développée.Cette méthode basée sur une approche Look-Locker a été couplée avec un échantillonnage en empilement de spirales et a permis d’obtenir au niveau cardiaque des cartes T1 en 3D sur des souris saines et des modèles d’infarctus du myocarde en moins de 15 minutes. Ensuite, une approche dite« spiral-in » a été couplée avec une méthode de multi-échos de spin afin d’accélérer la mesure des temps de relaxation transversale (T2). Cette méthode a permis d’obtenir des cartes T2 en 3D sur des cerveaux de souris saines et métastatiques en moins de 20 minutes. Enfin, une approche hybride couplant les avantages de l’acquisition spiralée et ceux de l’échantillonnage radial a été développée.Cette méthode a été couplée avec une technique de Golden-Angle pour échantillonner aléatoirement l’espace de Fourier et a permis pour la première fois de visualiser une angiographie 3D d’un foie de souris en respiration libre en moins de 12 minutes. Toutes les méthodes développées dans ce travail ont été validées au niveau de leur robustesse et démontrent que l’IRM peut être une technique à la fois rapide et quantitative. Ces développements pourront être transférés vers la clinique dans de futurs travaux. / MRI is more and more used to diagnose and assess a wide range of pathologies. However, this technique is still limited by two disadvantages. Indeed, the acquisition times are too long(especially in 3D) and the quantification is still difficult compared to other techniques like positron emission tomography. The aim of this PhD project was to significantly reduce acquisition times required for 3D imaging and to develop robust quantitative techniques allowing longitudinal studies.To these ends, innovative methods have been developed at very high magnetic field (7T) and validated on healthy and diseased mouse models. Three major developments arose from this work. Firstly, a fast measurement of the longitudinal relaxation time (T1) has been developed. This method based on a Look-Locker approach was coupled with a sampling using stack-of-spirals and allowed to get T1 mapsin 3D in healthy and myocardial infarction models in less than 15 minutes. Then, a "spiral-in" approach was coupled with a multi spin echoes acquisition to accelerate the measurement of the transverse relaxation time (T2). This method allowed to get T2 maps in 3D of healthy and metastatic mouse brains in less than 20 minutes. Finally, a hybrid approach combining the advantages of the spiral acquisition with those of the radial sampling has been developed. This method has been coupled with a Golden-Angle technique for randomly sampling the k-space and allowed for the first time to display a 3Dangiography of a mouse liver in free breathing in less than 12 minutes. All the protocols developed inthis PhD project were validated in terms of robustness and showed that MRI can be a technique both rapid and quantitative. These developments will be transferred to the clinic in future works.