Academic literature on the topic 'Imagerie biomédical'

Depuis le début des années 2000, l’imagerie photoacoustique connait un formidable essor en tant que technique d’imagerie optique biomédicale. Cet essor, qui se traduit à la fois par les nombreuses recherches menées par un nombre d’équipes de plus en plus important dans le monde et par les multiples applications qui en découlent, est lié aux performances uniques de cette modalité d’imagerie optique en termes de résolution et de contraste.

Ce travail a été consacré au développement d'instrumentation optique pour des applications biomédicales. La technique que nous utilisons est la polarimétrie. Nous avons développé deux instruments : un polarimètre de Mueller en réflexion et un appareil médical dédié à l'examen du col utérin (colposcope) pour l'imagerie en degré de polarisation en temps réel. Les applications ont été de deux types : la visualisation des brûlures radiologiques à un niveau infraclinique et l'amélioration du diagnostic du cancer du col utérin.

Le sujet de cette thèse consiste à définir un outil complet permettant l’acquisition du relief et de la texture d’une surface 3D dans le but de l’appliquer dans le domaine de la dermatologie, et plus généralement dans le domaine biomédical.Il s’agit d’abord d’étudier et de spécifier ou concevoir les aspects matériels tels que les appareils photographiques professionnels, les systèmes d’assemblage des appareils stéréoscopiques, le système d’éclairage et le système de déclenchement des appareils.Ensuite, la thèse porte sur les aspects algorithmiques et logiciels qui sont liés à tous les traitements mathématiques et informatiques nécessaires pour obtenir une surface 3D la plus fiable possible. Un des problèmes majeurs traités est la calibration géométrique de caméras stéréoscopiques. L’approche développée consiste à repousser les limites des méthodes classiques dans ce domaine en proposant l’utilisation de méthodes d’optimisation plus performantes et plus faciles à mettre en œuvre.Nous avons montré que les algorithmes d’optimisation utilisant les principes des algorithmes génétiques peuvent obtenir des résultats plus fiables que leurs concurrents et qu’ils permettent de traiter plus facilement des conditions variables d’expérimentations.Les applications réelles de notre algorithme génétique pour le calibrage portent sur de nombreux matériels d’acquisition (caméras industrielles, appareils photo reflex « grand-public » et professionnels, microscopes stéréoscopiques, objectifs à séparation de vue, objectifs sténopés et objectifs télécentriques), chaque dispositif d’acquisition est adapté à une utilisation spécifique suivant l’étude demandée (zones microscopiques, visage, partie du corps, …).Cette thèse constitue la partie « acquisition/calibration » du système VirtualSkinLAB
This thesis “Acquisition of stereoscopic images and camera calibration with genetic algorithms: application in the biomedical domain” consists to define a complete tool for acquiring the topography and texture of a 3D surface in order to apply it in the dermatological and more generally in the biomedical field.First, the objective is to study and to specify or design hardware devices such as professional cameras, assembly systems for stereo equipments, lighting system and trigger system for devices.Then, the thesis focuses on algorithmic and software aspects which relate to all mathematic and computational treatments needed to obtain a 3D surface.One of major issues addressed is the geometric calibration of stereo cameras. The developed approach pushes the limits of conventional methods in this field by proposing the use of more efficient and easier to implement optimization methods.We have shown that the algorithms using the principles of genetic algorithms can obtain more reliable results than their competitors and they can deal more easily the variable conditions of experiments.The real applications of our genetic algorithm for camera calibration cover many acquisition devices (industrial cameras, SLR cameras, stereo microscopes, beam splitters, pinhole and telecentric objectives), each acquisition device is adapted to a specific use following the requested study (microscopic areas, face or body parts). This thesis “acquisition / calibration” is a part of a global system called VirtualSkinLAB

This memory is posed in terms of "methods and applications" for the investigation, by optical methods, of scattering media for biomedical applications. It makes the object of two great parts, the polarimetric imagery on the one hand and the field of speckle on the other hand. Polarimetric imagery : the first fourth chapters are dedicated to the analysis and the exploitation of the polarisation of the light for the biomedical imagery. The first chapter exposes the various formailisms used in the studies on the polarization of the light:formalisms of Jones, Stokes-Mueller and Poincaré. The second chapter relates to a thorough analysis of the matrices of Mueller through the study of the matrices known as of "Mueller Jones" or of the matrices of Mueller for the depolarizing media in an anisotropic way. An approach by a commutable multilayer model is proposed to extract the polarimetric parameters from diattenuation, retardance and depolarization. The polarimetric treatment is supplemented by the exploitation of the coherency matrix. These treatments make it possible to code the images in optical or physical properties. The chapter three is devoted to a. Device of acquisition of the matrices of Muai- 1er. The chapter four, presents two examples of applications of the formalism of Mueller in the biomedical field, namely the quantification of the hepatic fibrosis and tEe discrimination of cutaneous tissus having undergone an irradiation. Speckle: The chapters five and six present an original anelysis of the speckle. The chapter five briefly exposes the statistical characteristics of the model speckle before proposing a. Junction with the theory of the Brownian motion. A statistical drift of the experimental speckle requires the adaptation of the theory of the Brownien motion to the fractional Brownian motion. An adjustment between the model and the physical phenomenon is thus possible thanks to this degree of additional freedom. This fractal approach allows the multi-characterization of the figures of speckle starting from three qnantifiable criteria. The chapter six presents the experimental validation of the approach, two applications in biomedical matter encourages us to privilege rather the variational approach than static speckle.

L'imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est entrée récemment dans le domaine biomédical. Les images sont obtenues avec une haute résolution et une grande sensibilité. Cependant, la spécificité reste encore faible. Pour accroître les possibilités de l'IRM dans les domaines de la caractérisation tissulaire et des études fonctionnelles, nous avons développé un procédé d'imagerie destiné à visualiser et mesurer dans chaque voxel de l'image les mouvements incohérents microscopiques ("IVIM" Intra-Voxel Incoherent Motions). Ces mouvements sont la diffusion moléculaire, la microcirculation du sang dans le réseau capillaire et les écoulements de certains fluides comme le liquide céphalo-rachidien. Les principes de l’imagerie par Résonance Magnétique sont rappelés, puis les effets des mouvements IVIM sur les signaux de RMN sont analysés. Les études ont été réalisées sur un imageur de 0,5 Tesla, d'abord sur fantômes appropriés pour valider la méthode, puis avec des volontaires et des patients. Les limitations du procédé sont ensuite exposées. Enfin, l'apport de la méthode pour le d1agnostic médical est montré.

La recherche de nouveaux moyens de sélectivité pour les traitements laser dans le domaine biomédical n'est pas actuellement une thématique active, contrairement à l'analyse par la lumière des cellules et des tissus qui connaît une phase intense d'évolution. Mon travail a consisté à proposer un système sélectif de dépôt de lumière et à chercher les applications potentielles d'un tel dispositif. J'ai réalisé un montage expérimental utilisant un modulateur spatial de lumière à cristaux liquides et permettant de contrôler l'asservissement de la lumière traitante sur l'imagerie vidéo de la surface à traiter. Ce contrôle fait appel à un traitement automatique des images. Les résultats expérimentaux ont permis d'évaluer les performances pouvant être atteintes par le dispositif. En effet nous obtenons une résolution spatiale de l'ordre de 30 æm sans avoir atteint les limites de notre montage, et une robustesse et simplicité de mise en œuvre grâce à l'absence de parties mobiles dans le dispositif. Par contre notre solution est limitée quant à la dose maximale d'énergie délivrable. Fonction des performances actuelles et de celles que nous jugeons accessibles moyennant améliorations, nous nous sommes attachés à rechercher l'application pour laquelle ce dispositif pouvait avoir un apport conséquent. Nous avons été amené à mettre de côté les applications les plus courantes actuelles de traitement laser pour des raisons, soit de processus biologiques mis en œuvre, soit de limitations du dispositif. Par contre il est apparu que les caractéristiques d'un tel dispositif semblent tout à fait adaptées à la manipulation de la croissance cellulaire et tissulaire
Research of new selectivity means for laser treatment in the biomedical domain is not currently an active field, contrary to the analysis of cells and tissues by light which is in an intense phase of evolution. My work consisted of proposing a selective light deposition system and of looking for the potential applications of such a device. I have achieved an experimental setup using a liquid crystal spatial light modulator and allowing the control of the light repartition relating to the video image of the surface to be treated. This control uses an automatic image analysis. Experimental results have allowed the evaluation of the performances that can be actually reached by the irradiation system. In fact we get a spatial resolution about 30 æm without having reached the limits of our system, and a hardiness and a simplicity of implementation because we use no mobile parts in the system. On the other hand our solution is limited as for the maximal dose of the deliverable energy. Function of the actual performances and those that we think accessible after adding improvement, we have tried to look for the application for which this irradiation system could have a consequent contribution. We have been brought to put a side the most current applications of laser treatments because of either the implemented biologic processes or the limitations of the system. However it appears that the characteristics of the system seem to be perfectly adapted to the manipulation of the cellular and tissular growth

Depuis quelques décennies, les nanomatériaux et tout particulièrement les nanoparticules d’oxyde de fer (magnétite/maghémite) superparamagnétiques ont connus un intérêt croissant en nano-médecine. Leur biocompatibilité et leurs propriétés magnétiques permettent notamment leur utilisation à des fins de diagnostic (IRM, Imagerie optique et nucléaire…) et de thérapie (Hyperthermie, nano vectorisation…). Au cours de cette thèse, la première étape a consisté à étudier en détails l’influence de plusieurs paramètres de synthèse sur les propriétés finales des nanoparticules d’oxyde de fer magnétique. Cette étude avait pour but de développer et d’optimiser une méthode de synthèse dérivée de la méthode de synthèse classique dite de co-précipitation mais modifiée par ajout de ligand citrates au cours de la synthèse. Des nanoparticules d’oxyde de fer d’une taille pouvant être contrôlée entre 4 et 13 nm recouvertes par une couronne de ligands citrates ont ainsi été synthétisées, celles-ci présentent une aimantation à saturation atteignant jusqu’à 75 emu/g d’oxyde de fer qui est une valeur particulièrement haute pour des nanoparticules de cette taille. Tout au long de ce travail, la caractérisation de ces nanoparticules par un panel étendu de techniques (MET, DRX, Mössbauer, IRTF, XPS, mesures magnétiques, DLS …) à permis notamment d’étudier de façon précise les relations existantes entre la taille, le taux de ligand, la composition et les propriétés magnétiques des nanoparticules synthétisées. Ces nanoparticules fonctionnalisées par des citrates ont ensuite été testées en milieu biologique afin d’évaluer leur internalisation dans les cellules et leur cytotoxicité. Dans un deuxième temps, d’autres travaux ont été menés sur les nanoparticules d’oxyde de fer. Notamment le remplacement des ligands citrates par un polymère bio-inspiré pouvant, selon les fonctions chimiques qui lui sont adjointes, avoir de multiples applications dans le domaine biomédical
From decades now, nanomaterials and especially superparamagnetic iron oxide nanoparticles are studied for their numerous applications in nanomedecine area. The biocompatibility and the magnetic properties of such nano-objects allow their utilization for diagnostic (MRI, optical imagery, PET…) and for therapy application (nanovectorization, hyperthermia…) During this thesis work, the first step was to study the influence of several synthesis parameters on the final properties of the magnetic iron oxide nanoparticles. The aim of this study was the development and the optimization of the widely used way of synthesis by co-precipitation modified by a ligand addition during the growth step of the synthesis. Citrate capped iron oxide nanoparticles with a controlled size between 4 and 13 nm have been synthesized, the saturation magnetization of these nanoparticles reach 75 emu/g of iron oxide, this value is particularly high for nanoparticles of such sizes. During this work, the large panel of characterizations performed on these nanoparticles (TEM, XRD, Mössbauer, FTIR, XPS, DLS, Magnetic measurement) allowed to study precisely the relations between size, ligand ratio, composition and magnetic properties of the synthesized nanoparticles. The interaction between the synthesized citrate capped nanoparticles and biological materials such as human cells have been investigated in-vitro notably to evaluate cells internalization and citotoxicity. In a second step, some additional works have been performed on the citrate capped iron oxide nanoparticles in order to replace the citrate ligand by a bio-inspired polymer (poly-oxazoline). This polymer can have multiple biomedical applications depending of the pendent chemical groups that have been fixed on it

Cette thèse a pour but de contribuer à l'informatisation de deux applications biomédicales : l'analyse de la figure complexe de Rey-Osterrieth et la détection de mélanomes malins. Les études sur l'analyse de la figure complexe de Rey-Osterrieth cherchent à identifier, de façon précoce, les difficultés psychologiques chez les enfants. Il s'agit d'un test graphique ou il est demandé de copier, puis de restituer de mémoire un dessin : la figure de Rey. Le mélanome malin est un cancer cutané en nette progression depuis plusieurs années. Les méthodologies, ainsi que les outils d'analyses employés sont communs aux deux applications. Nous commençons par la mise au point des protocoles nous permettant d'obtenir des copies numériques des figures de Rey et des photographies de lésions. A partir de celles-ci, nous recherchons des caractéristiques numériques. A partir de ces données, deux méthodes de traitement sont proposées. La première consiste à rechercher des sous-ensembles dans les populations de l'étude. En effet, les populations d'éléments que nous étudions sont, de par nature, hétérogènes. Cette catégorisation est basée sur une classification ascendante. L'originalité vient de l'intégration d'un nouvel indice prenant en compte les densités locales au voisinage des éléments. La seconde est une méthode utilisée pour discriminer les éléments pathologiques des autres éléments. Elle est conçue pour être efficace lorsqu'une des populations est sous représentée. Les éléments du groupe sain servent de référence. Nous recherchons des caractéristiques pour lesquelles les éléments pathologiques s'écartent de cette référence. Nous appliquons ensuite un algorithme détectant un jeu réduit de caractéristiques discriminantes. Ces méthodes sont appliquées avec succès sur deux ensembles de données issus des applications étudiées.

Le cerveau humain est une structure anatomique à symétrie bilatérale : il existe un plan, appelé plan médian sagittal, par rapport auquel il est (approximativement) symétrique. Certaines structures ou aires cérébrales sont pourtant systématiquement asymétriques. L'étude de ces asymétries et de leurs anomalies est d'un intérêt majeur pour la compréhension de certaines pathologies comme la schizophrénie. Dans cette thèse, nous présentons une méthode permettant de quantifier ces déviations locales par rapport à une symétrie bilatérale parfaite et d'en effectuer une analyse statistique dans des populations de sujets. En raison du positionnement arbitraire de la tête dans l'appareil d'acquisition, le plan médian sagittal est rarement situé au centre des images médicales tridimensionnelles anatomiques (IRM, scanner) ou fonctionnelles (TESP, TEP). Nous proposons une définition objective de ce plan, fondée sur un critère mathématique robuste de type moindres carrés tamisés. Ensuite, après calcul et réalignement du plan médian sagittal, nous montrons comment obtenir en chaque point de l'image un vecteur caractéristique de l'asymétrie de la structure anatomique sous-jacente. Ce champ d'asymétrie est obtenu au moyen d'un outil de recalage non-rigide, qui est également utilisé pour fusionner dans un référentiel géométrique commun les champs calculés sur une population d'individus. Des techniques statistiques classiques (de type test de Hotteling) permettent alors d'étudier l'asymétrie d'une population ou de comparer l'asymétrie entre deux populations. Un problème spécifique aux IRM est celui des variations lentes des intensités de l'image, induites par les interactions du sujet avec le champ magnétique, et qui ne reflétent pas les propriétés physiques des tissus sous-jacents. La structure géométrique de ce champ de biais est elle-même asymétrique, et perturbe substantiellement le calcul de l'asymétrie anatomique. Nous proposons différents algorithmes pour corriger ce biais, fondés sur des modélisations mathématiques du processus d'acquisition de l'image.

La capacité de pénétration des ondes électromagnétiques (OEM), généralement non destructive, dans les matériaux ou tissus permet de sonder les milieux étudiés. En termes de santé publique, améliorer la qualité de vie est devenu un objectif majeur de la société actuelle. Des applications de sondage par OEM de divers milieux ou tissus dans le domaine biologique présentent un intérêt majeur dans les opérations de diagnostic et dans les opérations thérapeutiques. Les travaux de cette thèse abordent le vaste domaine des applications biomédicales, des interactions micro-ondes/radiofréquences et de la matière. Ces travaux de thèse se focalisent sur l’univers émergeant de l’Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) à Ultra-Haut Champ. Le premier objectif est de développer un fantôme anthropomorphique de tête humaine ou il faut prendre en compte les propriétés électromagnétiques et les temps de relaxation caractéristiques de chaque tissu. Cela permet d’obtenir une estimation précise des niveaux de DAS pour l’être humain et une notion des formations de hotspots lors d’un examen IRM haut-champ.Le deuxième objectif dans le domaine des IRM à très haut champ est l’étude et la fabrication des dispositifs d’homogénéisation de champ permettant ainsi d’éclaircir les zones d’ombres. Ce processus, dénommé Dielectric Shimming, est basé entre autre sur l’utilisation d’éléments discrets à hautes permittivités appelés pads. Ces pads sont composés de matériaux diélectriques à fortes permittivités, comme des solutions aqueuses de Titanate de Baryum, afin de focaliser le champ dans les zones initialement sombres de l’image de l’IRM (dans cas du cerveau : le cervelet et les lobes temporaux)
The penetration capacity of the electromagnetic (EM) waves in matter or biological tissues allows exploring media non-destructively. Concerning the public health sector, improving the quality of life has become one of the greatest concerns of nowadays society. EM wave research on different media and biological tissues shows a great potential for diagnostic applications and eventually for therapeutically applications. In this doctoral thesis, we focus on the vast domain of the biomedical applications of wave-matter interactions, based on the knowledge of the electromagnetic properties of matter, the complex permittivity and the conductivity. On a first instance, we address the emerging domain of ultra-high field MRI (Magnetic Resonance Imaging), which nowadays puts effort into the clinical implementation of 7T devices. Firstly our purpose is to produce an anthropomorphic head model, composed of the brain’s different layers, and taking into account the electromagnetic properties and the proton relaxation times inherent to each tissue. These realistic head models allow to evaluate the newly developed protocols for these ultra-high field devices. Secondly, we have studied and developed field homogenization devices, which allow brightening the shadow areas displayed in some MRI images, such as the cerebellum and the temporal lobes in brain imaging at 7T. This procedure, named Passive Shimming, is based on the use of high permittivity dielectric pads composed of Barium Titanate, which focalize the field to the areas where normally the wavelength in insufficient to generate a homogeneous signal distribution

Synthese de ligands macrocycles tetraphores, complexants potentiels de cations paramagnetiques (gd**(3+), fe**(3+)) et de nucleide radioactifs. Etude de la reactivite de ces ligands et des essais de complexation

Obtenir des informations sur la matière à des échelles micrométriques, de manière non destructive et sans utiliser aucun marquage reste un défi méthodologique et technologique. Les techniques établies de microscopie de fluorescence ont permis de réelles avancées dans la compréhension des phénomènes biologiques mais le marquage utilisant des fluorophores limite considérablement cette technique, en particulier dans le domaine biomédical. Depuis une quinzaine d’année, la microscopie Raman cohérente a connu un important essor. Basée sur les propriétés vibrationnelles des molécules, cette technique permet aujourd’hui une imagerie tridimensionnelle des liaisons chimiques à cadence vidéo. De nombreux développements ont permis, à partir des concepts de la diffusion Raman et de l’optique non linéaire, d’élaborer des outils technologiques puissants permettant d’imager les échantillons biologiques en utilisant les contrastes de diffusion Raman anti-Stokes et de diffusion Raman stimulée. Dans ce chapitre, nous développons tout d’abord, grâce à des modèles simples, ces processus clés permettant d’appréhender la physique sous-jacente à l’imagerie Raman cohérente. Ensuite, nous illustrons ces techniques d’imagerie au travers de travaux menés récemment sur des échantillons biologiques et cristallins. Nous discutons enfin les perspectives actuelles concernant l’évolution des technologies et leurs domaines applicatifs.