Dissertations / Theses on the topic 'IRM'

L’IRM mammaire a une place prépondérante dans l’imagerie mammaire. Son utilisation plus large est limitée notamment par son coût et le nombre limité de machines. Nous avons travaillé sur plusieurs aspects de cette problématique. Dans un premier temps, nous avons modifié le positionnement en passant du procubitus au décubitus. Ceci a permis de montrer que le décubitus permettait une meilleure corrélation topographique des lésions avec l’échographie et était mieux toléré par les patientes. Dans un deuxième temps, nous avons étudié les facteurs de réduction du temps d’acquisition par l’intermédiaire des séquences à haute résolution temporelle et d’un protocole abrégé. Ces changements devraient permettre de faciliter l’accessibilité de l’IRM aux patientes, de réduire son coût tout en conservant les mêmes valeurs de sensibilité et spécificité que le protocole standard
Breast MRI has a prominent place in breast imaging. Its wider use is limited in particular by its cost and the limited number of machines. We have worked on several aspects of this problem. In a first step, we changed the positioning from procubitus to decubitus. This showed that the decubitus allowed a better topographic correlation of the lesions with the ultrasound and was better tolerated by the patients. In a second step, we studied the factors of reduction of the acquisition time via the sequences with high temporal resolution and an abbreviated protocol. These changes should make it easier for patients to access MRI, reduce costs while maintaining the same sensitivity and specificity values as the standard protocol

Le bilan d’imagerie des cancers des voies aérodigestives supérieures utilise l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et l’imagerie de tomographie par émission de positons (TEP). La TEP-IRM réunit ces deux imageries et permettent (sic) d’envisager l’exploration multiparamétrique des cancers ORL. La mise en place d’un protocole d’imagerie TEP-IRM pose des questions d’instrumentation. Les objectifs étaient de : quantifier et corriger le phénomène d’entrée de coupe artériel sur les séquences IRM de perfusion /perméabilité ; mesurer la précision des cartographies de valeur des temps de relaxation T1 et mesurer le temps de relaxation T1 du cancer ORL ; calculer le taux de détection des nodules pulmonaires par la séquence IRM à temps d’écho zéro (ZTE) et évaluer la précision de la mesure de la taille des nodules pulmonaires ; Comparer les valeurs des indices de texture de la radiomique à 3 Tesla et 1,5 Tesla. L’étude du phénomène d’entrée de coupe et de sa correction a été effectuée avec un imageur 3 Tesla et un fantôme de flux puis chez l’homme. L’étude de la cartographie T1 a été effectuée avec un imageur 3 Tesla et des fantômes de calibration, la mesure du T1 du cancer ORL a été effectuée chez 10 patients. L’étude de la séquence ZTE a été effectué par deux lecteurs avec imageur 3 Tesla en comparaison de la tomodensitométrie (gold standard) chez 12 patients. L’étude des indices de texture a été effectuée avec des imageurs 3 Tesla et 1,5 Tesla et des fantômes faits « maison » avec un logiciel de texture en accès libre et chez 10 volontaires sains. La méthode IRM de présaturation du flux artériel carotidien corrige efficacement l’altération du signal de la fonction d’entrée artérielle liée au phénomène d’entrée de coupe. Son application permet d’envisager de réaliser des acquisitions IRM de perfusion / perméabilité répondant aux recommandations des sociétés savantes en terme de résolution temporelle (inférieure à 5 secondes) tout en étant adaptée à l’anatomie ORL et à la combinaison des imagerie paramétriques. La valeur du temps de relaxation T1 des carcinomes épidermoïdes des VADS est calculée à 1314,5 ms (± 246,1). La réalisation d’une cartographie T1 nécessite la calibration des séquences cliniques à l’aide d’un fantôme et de séquences IRM de référence. Le taux de détection des nodules pulmonaire par ZTE est des 53% (IC95% [48-58]), et de 85% (IC95% [78-92]) pour les nodules de plus de 9 mm. La corrélation entre la taille des nodules avec la séquence ZTE et la taille au scanner est excellente. Les voies d’amélioration de la séquence se portent sur l’augmentation de la résolution spatiale et l’optimisation du contrôle du mouvement respiratoire. Les valeurs des indices de texture en IRM varient avec l’intensité du champ magnétique (3 Tesla versus 1.5 Tesla). Ces résultats contribuent à l’élaboration d’un protocole d’acquisition d’image TEP-IRM en cancérologie ORL. Deux études cliniques loi Jardé 3 sont en cours et utilisent ces résultats. Ces études permettront d’évaluer les performances de l’appareil TEP-IRM et de la combinaison des imageries paramétriques IRM et TEP en carcinologie ORL, ceci avec un haut niveau de preuve histologique
The imaging workup for Head and Neck (ENT) cancers uses magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) imaging. PET-MRI combines these two modalities and makes it possible to consider multiparametric exploration of ENT cancers. The implementation of a PET-MRI imaging protocol raises instrumentation questions.OjectivesThe objectives were to: quantify and correct arterial flow-related enhancement on dynamic contrast-enhanced MRI ; measure the precision of the T1 relaxation times maps and measure the T1 relaxation time of ENT cancer ; calculate the lung nodules detection rate by the MRI zero echo time sequence (ZTE) and evaluate the accuracy of lung nodules size measurement ; compare radiomic features values for different magnetic field strength (3 Tesla versus 1.5 Tesla). The study of the arterial flow-related enhancement and its correction was carried out with a 3 Tesla imager and a flow apparatus, then in humans. The T1 mapping study was performed with a 3 Tesla imager and calibration phantoms, the T1 measurement of ENT cancer was performed in 10 patients. The study of the ZTE sequence was performed by two readers with a 3 Tesla imager in comparison with the computed tomography (CTscan, gold standard) in 12 patients. The study of texture indices was performed with 3 Tesla and 1.5 Tesla imagers and “homemade phantoms”, with an open access texture software and then in 10 healthy volunteers. The MRI saturation method of the carotid arterial flow effectively corrects the alteration of the signal of the arterial input function related to the flow-related enhancement. Its application makes it possible to consider performing MRI perfusion / permeability acquisitions that meet the recommendations of learned societies in terms of temporal resolution (less than 5 seconds) while being adapted to ENT anatomy and to the combination of parametric imaging. The value of the relaxation time T1 of squamous cell carcinoma of the VADS is calculated at 1314.5 ms (± 246.1). Performing T1 mapping requires calibration of clinical MRI sequences using a phantom and reference MRI sequences.The detection rate of pulmonary nodules by ZTE is 53% (CI95% [48-58]), and 85% (CI95% [78-92]) for nodules of size more than 9 mm. The correlation between the size of the nodules with the ZTE sequence and the size on the CTscan is excellent. Areas for improvement of the sequence may focus on increasing spatial resolution and optimizing control of respiratory movement.The values of the texture indices in MRI vary with the intensity of the magnetic field (3 Tesla versus 1.5 Tesla). These results contribute to the development of a protocol for acquiring PET-MRI images in ENT oncology. Two clinical studies are in progress using these results. These studies will make it possible to evaluate the performance of the PET-MRI and of the combination of parametric MRI and PET imaging in ENT cancer, with a high level of histological evidence

Les ultrasons focalisés de haute intensité (HIFU) guidés par IRM et combinés à la thermométrie basée sur la fréquence de résonance du proton (PRF) sont une technique prometteuse pour l’ablation non invasive de tumeurs, le dépôt local de médicaments et l’activation des transgènes. Ce travail présente de nouveaux développements dans le domaine de la thermométrie PRF en présence de mouvement physiologique périodique associé aux variations du champ magnétique. De nouvelles stratégies de correction sont proposées et exploitent la méthode multi-baseline établie en incluant un modèle de variation de phase. Elles sont illustrées avec des exemples de thermométrie dans le sein et dans le cœur humain. De plus, d’autres facteurs influençant la thermométrie PRF, notamment la présence de graisse dans le sein et le flux sanguin dans le cœur, sont étudiés. Dans la seconde partie de ce travail a été abordée la problématique du contrôle précis de la température. Une première approche propose un algorithme de contrôle proportionel, intégral et dérivatif (PID) amélioré utilisant des paramétres de contrôle adaptatifs. En étendant ce concept à un contrôle 3D de la température, une implémentation de chauffage volumétrique est proposée. Par ailleurs, une nouvelle méthode de repositionnement dynamique de la coupe d’imagerie permet de fournir des informations volumétriques sur l’anatomie et la température en temps réel. La combinaison avec la compensation 2D de mouvement et l’adaptation du faisceau ultrasonore permet la réalisation d’un chauffage volumétrique suivant une courbe de température ou de dose thermique prédéfinie qui fonctionne même en présence de mouvements
MR-guided high-intensity focused ultrasound (HIFU) using proton resonance frequency (PRF) based thermometry is a promising technique for non-invasive ablations in tumor therapy as well as for targeted drug delivery and the activation of transgenes. This work presents further developments in the field of PRF thermometry in the presence of periodical physiological motion and the associated magnetic field variations. Using the examples of thermometry in the human breast and the human heart, new correction strategies are presented which extend the established multi-baseline phase correction to include a model of the phase variation and external sensor readings from a pencil-beam navigator. In addition further factors, namely the presence of fat in the breast and blood flow in the heart influencing the performance of MR thermometry in these organs are examined.In the second part of this work, the issue of precise temperature control has been approached in two ways. First, an improved proportional, integral and derivative (PID) controller using adaptive control parameters is developed. By expanding the concept of temperature control to 3D, an implementation of volumetric heating is presented. A novel slice sweep technique provides volumetric anatomic and temperature information in near-real time. The combination with 2D motion compensation and adaptation of the ultrasound beam position allows to achieve volumetric heating according to a pre-defined target temperature or thermal dose value even in the presence of motion

Au cours des dernières années, des modalités d'imagerie comme la tomographie d'émission par positrons (TEP) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ont été utilisées pour caractériser le microenvironnement tumoral et prédire la réponse au traitement durant la thérapie. La TEP est reconnue pour sa fonctionnalité et elle est utilisée avec une multitude de radiotraceurs. Par contre, sa résolution spatiale est limitée. L'IRM apporte une localisation anatomique précise et une information sur la perfusion des tissus. La modélisation pharmacocinétique augmente le potentiel de ces deux modalités en permettant des études quantitatives. Cependant, ces analyses quantitatives nécessitent l'acquisition de plusieurs images successives afin de suivre la distribution d'un agent de contraste (AC) en IRM et d'un radiotraceur en TEP. Plusieurs types d'analyse pharmacocinétique en IRM et en TEP requièrent la concentration de l'agent en fonction du temps dans le sang, nommée fonction d'entrée artérielle (AIF). Toutefois, cette dernière est difficile à mesurer. En IRM, pour la modélisation, il existe un compromis à faire entre la résolution spatiale et la résolution temporelle. Dans ce mémoire, une approche pour convertir l'AIF d'une modalité à l'autre est proposée pour le petit animal. L'AC gadolinium-acide diéthylène-triamine penta-acétique (Gd-DTPA) en IRM et le radiotraceur [indice supérieur 18] F-fluorodésoxyglucose (FDG) en TEP ont été utilisés. Un modèle mathématique a été développé pour effectuer la conversion et comparer les AIFs. Afin d'évaluer l'efficacité de la méthode, les paramètres pharmacocinétiques ont été calculés pour l'AIF obtenue par prélèvements sanguins et par notre méthode de conversion. Aucune différence statistique n'a été trouvée entre les paramètres des deux méthodes. Ces résultats suggèrent donc qu'une seule AIF serait nécessaire pour faire la modélisation dans les deux modalités. Une méthode qui optimise le temps d'acquisition d'images de même que la résolution spatiale en IRM a été proposée afin d'obtenir une quantification tumorale plus juste. Le temps d'acquisition a été réduit d'un facteur 3,2 avec une perte négligeable (1,5%) de résolution spatiale. Il a également été démontré qu'il est possible d'utiliser la méthode de région de référence combinée avec notre méthode de conversion d'AIF afin de faire la modélisation dans les deux modalités. Il s'agit, à notre connaissance, du premier travail évaluant la synergie entre les acquisitions IRM et TEP combinées. Ce travail pourrait donc avoir un impact significatif sur l'exploitation des deux modalités d'imagerie.

Cette thèse est consacrée à l'élaboration de nouvelles méthodes d'acquisition et de traitement de données en IRM de diffusion (IRMd) afin de caractériser la diffusion des molécules d'eau dans les fibres de matière blanche à l'échelle d'un voxel. Plus particulièrement, nous travaillons sur un moyen de reconstruction précis de l'Ensemble Average Propagator (EAP), qui représente la fonction de probabilité de diffusion des molécules d'eau. Plusieurs modèles de diffusion tels que le tenseur de diffusion ou la fonction de distribution d'orientation sont très utilisés dans la communauté de l'IRMd afin de quantifier la diffusion des molécules d'eau dans le cerveau. Ces modèles sont des représentations partielles de l'EAP et ont été développés en raison du petit nombre de mesures nécessaires à leurs estimations. Cependant, il est important de pouvoir reconstruire précisément l'EAP afin d'acquérir une meilleure compréhension des mécanismes du cerveau et d'améliorer le diagnostique des troubles neurologiques. Une estimation correcte de l'EAP nécessite l'acquisition de nombreuses images de diffusion sensibilisées à des orientations différentes dans le q-space. Ceci rend son estimation trop longue pour être utilisée dans la plupart des scanners cliniques. Dans cette thèse, nous utilisons des techniques de reconstruction parcimonieuses et en particulier la technique connue sous le nom de Compressive Sensing (CS) afin d'accélérer le calcul de l'EAP. Les multiples aspects de la théorie du CS et de son application à l'IRMd sont présentés dans cette thèse.

L’insuffisance placentaire par défaut de vascularisation est une pathologie fréquente de la grossesse, de diagnostic difficile, avec des complications potentiellement graves (retard de croissance intra utérin, prééclampsie). L’objectif de ce travail de Thèse a été de développer l’IRM fonctionnelle multiparamétrique pour l’exploration du placenta à 4.7 T chez la rate gestante. Matériel et méthode : L’IRM de diffusion (SE- EPI DWI) avec analyse IVIM et l’IRM dynamique avec injection de gadolinium (DCE) et haute résolution temporelle (< 1s) ont été développées puis étudiées sur un modèle murin contrôlé d’hypoperfusion placentaire par ligature du pédicule vasculaire utérin gauche au 17ème jour de gestation. Les paramètres obtenus sur les placentas hypoperfusés de la corne gauche ligaturée étaient comparés à ceux des placentas normaux de la corne droite. L’effet de l’hyperoxygénation maternelle était étudié en diffusion. Résultats : Ont été étudiés 73 placentas, dont 23 pathologiques (n= 10 rates) en diffusion et 53 placentas, dont 11 pathologiques (n=12 rates) en DCE. Les paramètres significativement diminués du côté hypoperfusé étaient le coefficient apparent de diffusion (ADC), la fraction de perfusion (f) en diffusion et le flux sanguin maternel (F) en DCE. Sous hyperoxygénation maternelle, l’ADC et le coefficient de diffusion (D) augmentaient et f diminuait. Les paramètres obtenus en diffusion et en DCE n’étaient pas nettement corrélés entre eux. Conclusion : Un outil d’IRM fonctionnelle placentaire multiparamétrique a été développé à 4.7 T chez la rate gestante. La DWI comme la DCE apparaissent complémentaires pour le diagnostic d’hypoperfusion placentaire
Placental insufficiency caused by deficient vascularization is common during pregnancy, difficult to diagnose and can lead to severe materno-fetal complications (intrauterine growth restriction, preeclampsia). The aim of this work was to develop multi-parametric functional magnetic resonance imaging (MRI) to assess the placenta at 4.7 T on a murine model. Materials and methods : Diffusion-weighted imaging (SE-EPI-DWI) with the intravoxel incoherent motion (IVIM) analysis and dynamic contrast enhanced MRI (DCE) with a high-time resolution (<1 s) were developed and evaluated on a controlled rat model of reduced placental perfusion, achieved by ligation of the left uterine vascular pedicle on the 17th embryonic day. Parameters from the placentas in the left ligated horn were compared to those from the normal placentas in the non ligated horn. The effect of maternal hyperoxygenation on placental microvascularization was studied with DWI.Results: For DWI, 73 placentas were examined, 23 from the ligated side (n=10 rats). For DCE, 53 placentas were analysed, 11 from the ligated side (n=12 rats). In the uterine horn with reduced perfusion, the apparent diffusion coefficient (ADC), the perfusion fraction (f) obtained with DWI and the placental blood flow (F) obtained with DCE were significantly decreased. Under maternal hyperoxygenation, ADC and the diffusion coefficient (D) increased whereas f decreased. DWI and DCE parameters were not significantly correlated with each other. Conclusion: Multi-parametric MRI has been developed for murine placental analysis at 4.7T. DWI and DCE are complementary tools for the diagnosis of reduced placental perfusion

Les variations d'intensité du signal IRM sont très largement influencées par la composition chimique des tissus humains ainsi que leur concentration. Les protéines complexes sont ainsi à l'origine de variations importantes du signal dans tous les types de pondération de l'image. Une étude in vitro puis in vivo de ces comportements tissulaires en IRM nous montre que ces variations sont prévisibles, analysables et peuvent donc participer au raisonnement diagnostique et à l'élaboration d'une caractérisation tissulaire.

L'IRM de diffusion permet de caractériser la structure dynamique des tissus biologiques à l'échelon microscopique. L'objectif de cette thèse a été de développer des outils méthodologiques pour étudier les différences microstructurales du cortex " in vivo " chez l'homme. Un ajustement biexponentiel de la diffusion a été privilégié étant donnée sa sensibilité pour decrire le signal de diffusion. Une technique SENSE a été implémentée sur une séquence de diffusion à 1. 5T et nous avons conçu et développé une bobine parallèle basée sur le concept d'acquisition localisée. En parallèle, nous avons développé une méthode statistique pour déterminer la significativité du signal par rapport au bruit, ainsi que des ajustements du signal avec l'hypothèse de bruit ricien. Ces développements ont étés intégrés dans un logiciel présentant une plateforme graphique. Des différences subtiles, mais significatives, dans les paramètres de diffusion d'aires corticales, notamment dans les aires temporales et pariétales ont été observées. Si les résultats ont souligné la sensitivité au bruit à 1. 5T et 3T, l'IRM de diffusion se apparaît comme technique prometteuse pour l'étude de la cyto-architectonie corticale
Diffusion MRI allows characterizing the dynamical structure of biological tissue at the microscopic level. The purpose of this thesis was the development of methodological tools to study the micro-structural differences of cortex, in vivo in human. A bi-exponential fit was used for its sensibility to describe the diffusion signal. SENSE technique was implemented at 1. 5T and a phase array coil was designed for localized acquisition. We have also developed a statistical method to determine the significance of signal and correction schemes to fit rician distributed data. These developments were integrated on a graphical platform. Subtle, but significant, differences in diffusion parameters were found in cortical areas, namely between temporal and frontal and parietal areas. Although the results have shown important sensibility to noise at 1. 5 and 3\unit{T}, diffusion MRI appears as a promising technique for the study of cortical cyto-architecture

Les ruptures des tendons de la coiffe des rotateurs altèrent la fonctionnalité de l’épaule de façon variable chez les sujets atteints (Hansen et al., 2008). Le premier objectif de cette étude est d’évaluer le rôle du deltoïde moyen par le calcul d’un ratio des forces coaptatrices/élévatrices de la portion acromiale du deltoïde. Ensuite, le deuxième est de comparer ce ratio avec le score de Constant (Constant et Murley, 1987) et quickDASH (IWH, 2006) chez un échantillon de 11 sujets symptomatiques présentant des ruptures des tendons de la coiffe des rotateurs. Finalement, le troisième est de présenter une méthode simplifiée permettant le calcul du ratio de manière plus rapide et dont l’application en clinique pourrait être possible. Le ratio des forces coaptatrices/élévatrices a été obtenu par l’application d’un modèle mécanique (système de poulies) sur des reconstructions 3D de la ceinture scapulohumérale de l’épaule à partir d’images par résonance magnétique (IRM) de 3 mm d’épaisseur dans le plan coronal. Ce ratio montre le rapport entre les forces coaptatrices du deltoïde vers la glène et les forces élévatrices résultantes du deltoïde sur l’humérus. Le lien entre le ratio et la fonctionnalité de l’épaule déterminée par de questionnaires subjectifs de fonction de quickDASH (IWH, 2006) et de Constant (Constant et Murley, 1987) a été étudié. Enfin, une méthode simplifiée permet d’obtenir les ratios directement des images IRM. Sur un total de 11 sujets, les ratios calculés varient de 0,35 à 0,55 (0,47 ± 0,08), les scores de quickDASH de 22,5 à 80,0 (47,6 ± 14,2), et les scores de Constant de 31,01 à 75,43 (56,55 ± 11,99). La méthode simplifiée a été appliquée sur un sujet : la méthode est rapide et facile d’utilisation. Le deltoïde moyen exerce une force globalement élévatrice sur l’humérus (les ratios étant toujours inférieurs à 1). Cependant, une force de coaptation y est toujours présente. La forte contribution des fibres antérieures du deltoïde moyen à la stabilité de l’articulation scapulohumérale a été démontrée. Ce résultat montre la voie vers des nouvelles avenues thérapeutiques. Le facteur biomécanique étudié est un élément qui pourrait être représentatif de la fonctionnalité de l’épaule. Par contre, un plus grand nombre de sujets est nécessaire afin de développer une étude de corrélation plus fiable. Finalement, la méthode simplifiée s’avère faisable : elle présente des valeurs de ratios de forces comparables à ceux de la méthode initiale nécessitant une reconstruction 3D des images IRM. À plus long terme, l’amélioration de cette méthode permettrait l’obtention d’un indice représentatif de la fonctionnalité de l’épaule applicable en clinique.

L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf ) permet de détecter sur le cerveau entier des activations neuronales en réponse à un stimulus, par le biais de l'observation des modifications hémodynamiques occasionnées. En particulier, l'IRMf est un outil de choix pour l'étude des mécanismes de la stimulation cérébrale profonde et de la stimulation du nerf vague qui sont encore mal connus. Cependant, cette technique n'est pas facilement utilisable chez l'homme en raison des problèmes de sécurité vis-à-vis de l'action des champs magnétiques intenses utilisés en IRM au niveau des électrodes implantées. Les développements méthodologiques chez l'animal sont donc nécessaires. L'objectif principal de cette thèse est l'étude des mécanismes à distance de la stimulation du système nerveux central et périphérique par IRMf chez le rat. Nous présentons dans un premier temps les séquences IRM rapides utilisées en IRMf, comme l'Echo-Planar Imaging multishot, permettant d'imager le cerveau entier en 1 à 2 secondes seulement, ainsi que les différents problèmes posés par l'utilisation de ces séquences, comme les artefacts de susceptibilité magnétique. Le couplage des séquences développées durant cette thèse avec des mesures électrophysiologiques a notamment permis l'imagerie des réseaux épileptiques chez le rat. Dans un second temps, nous développons les problèmes posés par la préparation animale, particulière en IRMf de par le fait que le couplage neurovasculaire doit être préservé sous anesthésie afin de préserver les activations neuronales. Après comparaison avec les anesthésies à l'isoflurane et la kétamine, nous avons déduit que la médétomidine constituait un anesthésique de choix pour l'IRMf du rongeur, et précisons le protocole de préparation animale utilisé pour l'imagerie. De plus, les électrodes utilisées en stimulation intracérébrale induisent des artefacts importants en imagerie, et des électrodes constituées de matériaux amagnétiques sont nécessaires. Nous expliquons pourquoi nous avons choisi des électrodes en carbone, et présentons le protocole de fabrication utilisé. Nous avons ensuite validé ces développements méthodologiques par des expériences d'IRMf de challenges hypercapniques et de stimulation de la patte chez le rat. Puis nous avons conduit une étude IRMf approfondie des mécanismes d'action de la stimulation du nerf vague, en s'intéressant à la distinction entre activations neuronales et effets cardiovasculaires confondants par modélisation causale dynamique. Nous présentons aussi des résultats en IRMf de la stimulation électrique intracérébrale chez le rat. Plusieurs cibles ont été stimulées (noyau géniculé dorso-latéral, gyrus dentelé, striatum et thalamus), et des activations ont été obtenues à distance de l'électrode, conformément aux connaissances actuelles sur les connexions neuroanatomiques de ces noyaux. Ainsi, nous avons mis au point et validé l'IRMf du rat et son application à la stimulation électrique du système nerveux périphérique et central.

L'imagerie médicale est devenue la pierre angulaire de la lutte contre diverses maladies (cancer, maladies cardiovasculaires) puisqu'elle permet de détecter et de suivre l'évolution de la maladie et d'orienter le traitement. La tendance actuelle consiste à combiner plusieurs techniques d’imagerie complémentaires pour exploiter les avantages de chacune d’elles tout en surmontant leurs limites. Parmi les nombreuses possibilités, la combinaison de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) et de la tomographie par émission de positon (TEP) semble très intéressante, car elle allie la haute résolution de l'IRM à la sensibilité exceptionnelle de la TEP. Si le développement de ce dispositif constitue en soi un défi de taille, la conception de sondes multimodales constitue également une étape essentielle pour l'exploitation d’imageurs intégrés IRM/TEP. Pour réaliser le développement de sondes multimodales pour l’imagerie simultanée IRM/TEP, deux stratégies basées sur le caractère multifonctionnel des nanoparticules ont été explorées, en gardant à l'esprit que ces agents d'imagerie doivent être éliminés par clairance rénale (Dh ˂ 10 nm). La première a consisté en la synthèse de nanoparticules d'or ultrapetites revêtues par deux types différents de chélateur pour une complexation sélective des ions gadolinium (IRM) et des émetteurs de positons (TEP). La deuxième stratégie a reposé sur la réduction d’un sel d’or en présence de molécules dithiolées contenant deux sites de complexation spécifiques. La réduction du sel d'or en présence d'un mélange de deux différents chélateurs ou en présence de molécules dithiolées contenant deux sites de complexation spécifiques a fourni des nanoparticules d'or ultrapetites (taille du cœur d’or (TEM) : 2 à 3 nm et diamètre hydrodynamique (DLS) : 6 - 8 nm) capables d’immobiliser à la fois les ions gadolinium et les ions cuivre-64. En conséquence, la biodistribution de ces nanoparticules a pu être suivie simultanément par IRM et TEP sur un même animal avec le même dispositif d'imagerie IRM/TEP intégré et après une seule injection intraveineuse. Cette étude a également confirmé une libre circulation des nanoparticules et une excrétion rénale sans aucune accumulation indésirable dans l'organisme sain. Ce travail a montré que les nanoparticules d'or ultrapetites revêtues par deux types différents de chélateurs ou des molécules contenant deux sites de complexation spécifiques possèdent un fort potentiel pour l'imagerie bimodale IRM/TEP
Medical imaging has become a cornerstone of the fight against various diseases (cancer, cardiovascular diseases) since it allows to detect and monitor the development of disease and to guide therapy. The current trend is to combine several complementary imaging techniques to exploit the advantages of each while overcoming their limitations. Among the numerous possibilities, the combination of magnetic resonance imaging (MRI) and positron emission tomography (PET) appears very attractive because it allies the high resolution of MRI to the exceptional sensitivity of PET. If the development of this imaging device is in itself a significant challenge, the design of multimodal probes also constitutes an essential step for exploiting MRI/PET fused technology. For achieving the development of multimodal probes for integrated MRI/PET, two strategies based on the multifunctional character of the nanoparticles have been explored, keeping in mind that these nanostructured imaging agents must be removed by renal clearance (Dh< 10 nm). The first one consists in the synthesis of ultrasmall gold nanoparticles coated by two different types of chelator for a selective complexation of gadolinium ions (for MRI) and of positron emitters (for PET). The second strategy allowed to reduce gold salt in presence of dithiolated molecules containing two specific complexation sites.The reduction of gold salt in presence of a mixture of two different dithiolated chelators or in presence of dithiolated molecules containing two specific complexation sites provides ultrasmall gold nanoparticles (core size (TEM): 2-3 nm and hydrodynamic diameter (DLS): 6-8 nm) which are able to immobilize both gadolinium ions and 64-copper (II) ions as it was shown by the characterization after radiolabeling. As a result, the biodistribution of these nanoparticles can be monitored by T1-weighted MRI and by PET on a same animal with the same imaging device integrating PET and MRI modalities after a single intravenous injection.This study confirmed also a free circulation and a renal excretion without any indesirable accumulation within the healthy organs.This work has shown that ultrasmall gold nanoparticles coated by two different types of chelator or molecules containing two specific complexation sites have a high potential for bimodal imaging MRI/PET

121 tumeurs cérébrales d'histologies variées (gliomes, lymphomes, métastases) ont été étudiées de façon prospective pour déterminer l'apport potentiel d'une approche RMN multimodalitaire combinant imagerie conventionnelle, spectrométrie par résonance magnétique (SRM) à écho court (20 ms) et à écho long (135 ms), imagerie de diffusion et de transfert d'aimantation pour le diagnostic différentiel de ces lésions. Les données ont été analysées dans un premier temps de façon univariée afin de déterminer les paramètres différents entre les groupes. Ceux-ci ont alors été utilisés dans plusieurs analyses multivariées, en utilisant des analyses en composantes principales (ACP) et des analyses discriminantes. Les métastases et les gliomatoses cérébrales sont nettement séparées des autres tumeurs sur l'ACP utilisant uniquement les données de SRM. L'analyse discriminante pratiquée sur le groupe des tumeurs prenant fortement le contraste en utilisant les données IRM et SRM classe correctement 91% des tumeurs contre 67% pour la SRM utilisée seule. L'analyse discriminante réalisée sur le groupe des tumeurs prenant peu ou ne prenant pas le contraste permet de classer correctement 87% des patients en combinant IRM et SRM contre 80% en utilisant la SRM seule. Les données fournies par la SRM sont donc complémentaires de celles de l'IRM, et la combinaison de ces 2 méthodes a donc une meilleure rentabilité diagnostique que chacune prise séparément
121 intracranial tumors of various histologies (gliomas, lymphomas, metastases) were prospectively studied to determine the potential added value of a multimodal NMR approach combining conventional imaging, magnetic resonance spectrometry (MRS) at short (20 ms) and long (135 ms) echo time, diffusion and magnetization transfer imaging for the differential diagnosis of these lesions. In a first step, an univariate analysis of the data was performed to determine the parameters significantly different between groups. These parameters were secondarily used in multivariate analysis, performed using principal component (PCA) and discriminant analysis. PCA using only MRS data clearly separates gliomatosis cerebri and metastases from all other tumor types. Discriminant analysis performed using a combination of MRI and MRS data on strongly enhancing tumors correctly classifies 91% of the lesions as compared to 67% when this study is performed on MRS data only. Discriminant analysis performed on non and moderately contrast enhancing tumors correctly classifies 87% of the lesions as compared to 80% when this study is performed on MRS data only. The information provided by MRS is thus complementary to the one provided by MRI, and the combination of these two modalities has a better diagnostic value than each one taken separately

INTRODUCTION : Le but de ce travail était d'évaluer la faisabilité d'une technique d'étude IRM de la microcirculation placentaire chez la souris et de développer un outil complet d'étude de la perméabilité et de la perfusion placentaire in vivo. MATERIELS ET METHODES : Des souris Balb/c à J16 de gestation ont été observées. Une séquence IRM Fast SPGR a été mise au point pour développer un modèle d'analyse de la perfusion après injection d'agent de contraste. Certaines souris ont été randomisées pour recevoir une injection de noradrénaline avant la mesure de la perfusion. Ensuite a été développé un protocole de mesure de la perméabilité et de la perfusion, utilisant une séquence dynamique à deux temps d'écho. Un modèle d'analyse compartimentale original a été développé pour étudier les paramètres microcirculatoires. RESULTATS : 133 souris gestantes ont été utilisées. La perfusion du placenta in vivo a été mesurée à 1. 3 ml/min/gramme (+/- 0. 6) avec le modèle de perfusion physiologique. Il y avait une diminution significative de la perfusion placentaire in vivo après injection de noradrénaline. Avec le modèle complet, la perfusion était comparable : 1. 80 ml/min/g (+/- 0. 9) et la perméabilité ( PSr ) a pu également être mesurée. CONCLUSION : Ce travail a permis de mettre au point un outil unique et original d'évaluation de la perfusion et de la perméabilité placentaire in vivo. Il serait intéressant pour l'exploration de modèles murins de pathologies placentaires. S'il est transposable à l’Homme, il pourrait ouvrir de nouvelles perspectives pour la compréhension, l'évaluation et la surveillance des palhologies gravidiques liées au placenta
INTRODUCTION : This study was undertaken to develop a new model for placental perfosion and permeability assessment by using MRI with contrast agents in a mouse model. MATERIALS AND METHODS : Balb/c pregnant mice at 16 days of gestation were studied. 2D Fast SPGR sequential MRI was used to analyze placental perfusion following contrast agent injection. Some mice were randomly selected to receive noradrenalin injection prior to perfusion measurement. A complete model for both perfusion and permeability assessment was then developed, based on a single-slice dual echo 2D FSPGR sequence. An original three-compartmental model was developed and used to calculate quantitative microcirculation parameters. RESULTS : 133 mice were studued. Mean placental perfusion was 1,3 ml/min/g (+/- 0. 6) with the simple perfusion model. There was a significant decrease in placental perfusion following noradrenalin injection. Using the complete model, placental perfusion was 1,80 ml/min/g (+/-0. 9) and permeability ( PSr ) was measured as well. CONCLUSION: This approach gives a non invasive access to placental microvascular parameters including the perfusion and the permeability. It shows promises to study mouse model of placental diseases. If this approach is feasible and safe in humans, it may have potential for investigating the origin and course of IUGR, and for the management of compromised pregnancies

Cette étude cherche à évaluer le Débit de la Filtration Glomérulaire (DFG) dans le rein humain par IRM. L'estimation de ce paramètre quantitatif nécessite le suivi de la cinétique intrarénale de Gd après son injection en bolus. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé sous IDEA Siemens une séquence SR-FLASH strictement pondérée en T1 capable de suivre en dynamique l'évolution du signal RMN après l'injection d'un bolus de produit de contraste. Cette séquence possède un codage de phase centré permettant de déterminer le contraste au début de la période d'acquisition de l'image. Nous avons également mis en oeuvre une séquence d'inversion IR-FLASH (avec codage de phase centré) permettant la mesure de la relaxation longitudinale en l'absence de produit de contraste, ce paramètre étant indispensable à la conversion de l'intensité du signal en concentration. Sachant que la relation entre l'intensité du signal RMN et la concentration de Gd n'est pas linéaire, nous avons proposé deux méthodes originales et malgré tout rapides et robustes pour convertir le signal RMN en concentration locale de Gd. Ceci nous a permis d'évaluer l'évolution de la concentration dans les deux reins et dans l'aorte au cours des premiers passages du produit. L'ajustement des ces mesures de concentration sur les équations décrivant une modélisation bicompartimentale de la fonction rénale a permis de calculer le DFG de chaque rein dans une population de cinq sujets possédant un fonctionnement rénal normal
This study seeks to assess the Glomerular Filtration Rate (GFR) in the human kidney by MRI. To quantitatively estimate this parameter requires monitoring of the intrarenal kinetics of Gd after its bolus injection. To achieve this goal, we have developed under IDEA Siemens a SR-FLASH T1-weighted MRI sequence which can follow dynamic NMR signal changes after a bolus injection of Gd. This sequence has a centric phase-encoding scheme, and thus the image contrast was determined at the beginning of the acquisition period. Subsequently, we have implemented an IR-FLASH (with centric phase-encoding scheme) sequence to measure the longitudinal relaxation time in the absence of any injection of Gd ; this parameter is required to convert NMR signal intensities into Gd concentrations. knowing that the relation between the NMR signal intensities and the Gd concentrations is not linear, we have proposed two novel methods and yet fast and robust for conversion of the NMR signal intensities into local Gd concentration. This allowed us to estimate the temporal evolution of Gd concentrations in both kidneys and aorta. The fit of these concentrations measurements by a two-compartments model describing the function of the kidney allowed us to calculate the GFR of each kidney in a population of five subjects with normal renal function

L’introduction en clinique de la bimodalité combinant la tomographie d’émission de positons (TEP) et la tomodensitométrie (TDM) a été un succès dans les années 2000. La multimodalité dans le contexte de l’imagerie médicale a souvent pour but de combiner une information physiologique à une information anatomique. Deux approches existent : la première étant d’acquérir séparément les modalités et de les combiner ultérieurement par fusion d’images sur ordinateur, la seconde s’affranchit des problèmes possibles du recalage en opérant une acquisition dans le même statif des deux modalités. Cependant, il existe des limites à l’imagerie TEP/TDM. L’idée de combiner l’imagerie par résonance (IRM) magnétique à la TEP offre des avantages par rapport à la TDM. Notamment, l’IRM offre un excellent contraste des tissus et offre l’accès à de l’information multidimensionnelle, fonctionnelle et morphologique grâce à la modularité offerte par l’acquisition IRM. Cette information pourrait permettre de mieux comprendre les processus physiopathologiques des maladies. De plus, l’IRM n’est pas ionisante, au contraire de l’imagerie TDM. L’introduction au début des années 2010 des premiers appareils d’acquisition simultanée TEP/IRM offre de nombreuses possibilités, mais il reste des défis à résoudre avant d’assister à la même diffusion en clinique que l’imagerie TEP/TDM de ces appareils. Notamment, l’atténuation photonique, qui doit être corrigée afin de permettre le caractère quantitatif de l’imagerie, est un problème. Dans ce travail, nous abordons cette question en proposant des solutions pour les différentes régions du corps. Une attention particulière est portée à la région pelvienne. L’état de l’art des méthodes disponibles expose un faible nombre de solutions pour cette région, pourtant riche en tissus osseux atténuants et zone d’occurrence du second cancer le plus commun chez l’homme : le cancer de la prostate. Nous évaluons l’impact de la solution proposée sur la correction des photons diffusés, toujours dans un objectif d’obtenir une imagerie quantitative. Les différentes méthodologies de correction et d’évaluation font intervenir des simulations numériques Monte Carlo
The clinical introduction of the bimodality combining the positron emission tomography (PET) and the computed tomography (CT) has been a major success in the 2000s. Multimodality, in the context of medical imaging, often has the aim of associating a physiological information and an anatomical information. Two approaches exist : either the two modalities are acquired separately and then fused through computerized image fusion, or we discard the issues related to image registration by acquiring in the same system the two modalities. However, there remain limits to PET/CT imaging. The idea to combinemagnetic resonance imaging (MRI) to PET offers solutions and advantages compared to the use of TDM.MRI offers an excellent tissue contrast and offers an access to multidimensional functional and morphological information thanks to the modularity offered by MRI. This information could improve the understanding of the physiopathological processes involved in diseases. Moreover, MRI is non-ionizing modality, on the contrary to CT. The introduction in the early 2010s of the first simultaneous PET/MRI systems offers a lot of possibilities, but there remains challenged to solve before observing the same spread as the PET/CT in imaging facilities. In particular, the photon attenuation, which must be corrected to provide a quantitative imaging, remains an issue. In this work, we address this issue by proposing solutions for the different regions of the body. A special attention is drawn to the pelvic region. Indeed, the state of the art of available methods exposes a small number of solutions for this area ; even so it is rich in attenuation osseous tissues et area of occurrence of the second most common cancer in men : prostate cancer. We assess the impact of the proposed solution on the scattered photons correction, still in the aim of obtaining a quantitative imaging modality. The different methodologiesof correction and evaluation use Monte Carlo numerical simulations

Résumé: L’Imagerie par Résonance Magnétique fonctionnelle est devenue un des outils principaux pour mesurer l’activité cérébrale chez l’Homme de façon non-invasive. Le type de séquence plus fréquemment utilisé à ces fins est le signal dépendant du niveau d'oxvgène sanguin (BOLD signal) car il reflète les changements hémodynamiques associés à l’activité cérébrale et offr l’avantage d'être relativement facile à mesurer. Cependant, cette mesure est dépendante du niveau de désoxyhémoglobine, présent dans les veines. L'architecture structurelle de ces dernières varie considérablement d'une région du cerveau à l'autre et cela fait en sorte qu'il est ardu de savoir si les différences inter-régionales sont dues à des différences au niveau de l’activité neuronale ou de la structure vasculaire. C'est pour répondre à cette question que nous avons observé la relation entre les variations régionales de densité vasculaire (VAD) et l’amplitude du signal BOLD au repos et en présence d'un stimulus. Nous avons implémenté une méthode de segmentation des veines pour des images en pondération de susceptibilité (SWI). Nous avons également utilisé une méthode de segmentation des tissus (Morphométrie Basée sur les Voxels (VBM )) pour séparer les tissus et calculer une mesure de densité de matière. Nous avons trouvé qu'indépendamment de la taille des voxels, les variations régionales d'amplitude du signal BOLD au repos et du signal évoqué par une tâche sont mieux corrélées avec la VAD qu'avec la densité de matière grise. En utilisant un modèle linéaire général, nous avons observé qu'une grande partie des variations régionales au repos pouvait être modélisée par la VAD. En somme, nos résultats suggèrent que le signal BOLD au repos est intimement relié à la structure vasculaire. Utiliser la densité vasculaire afin de calibrer les mesures d'amplitude du signal BOLD au repos nous permettra d'interpréter de façon plus précise et d'obtenir de meilleures informations sur les différences observées entre plusieurs groupes de sujets et de patients. // Abstract: Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) has become one of the primary tools used for non-invasively measuring brain activity in humans. For the most part, the blood oxygen level-dependent (BOLD) contrast is used, which reflects changes in heinodynamics associated with active brain tissue. The main advantage of the BOLD signal is that it is relatively easy to measure and thus is often used as a proxy for comparing brain function across population groups (i.e. control vs. patient). However, it is particularly weighted towards veins whose structural architecture is known to vary considerably across the brain. This makes it difficult to interpret whether differences in BOLD between cortical areas reflect true differences in neu-ral activity or vascular structure. We therefore investigated how regional variations of vascular density (VAD) relate to the amplitude of resting-state and task-evoked BOLD signals. To address this, we first developed an automated method for segmen-ting veins in images acquired with susceptibility weighted imaging (SWI), allowing us to visualize the venoms vascular tree across the brain. In 19 healthy subjects, we then applied Voxel-Based Morphometry (VBNI) to Ti-weighted images and compu-ted regional measures of gray matter density (GNID). We found that, independent of spatial scale. regional variations in resting-state and task-evoked fNIRI amplitude was better correlated to VAD compared to GRID. Using a general linear model (GLNI). it was observed that the bulk of regional variance in resting-state activity could be modelled by VAD. Taken together, our results suggest that resting-state BOLD signals are signifi-cantly related to the underlying structure of the brain vascular system. Calibrating resting BOLD activity by venous structure may result in a more accurate interpreta-tion of differences observed between cortical areas and/or individuals.

L'embolisation artérielle a récemment émergé sur le plan interventionnel comme un traitement sûr et efficace pour arrêter une hémorragie ou induire la dévascularisation d'un tissu cible. La visualisation directe des agents d'occlusions vasculaires n'est pas toujours possible. L'estimation de leur position dans la branche vasculaire en se basant sur la distribution de produit opaque aux rayons X est partiellement incorrecte. Un marquage des agents d'occlusion vasculaire est souhaitable pour leur suivi par IRM pendant l'intervention ou a posteriori, ce, notamment en raison de la diffusion de l'IRM comme modalité d'imagerie anatomique et interventionnelle. Dans ce travail, plusieurs protocoles ont été établis pour repérer des agents d'occlusion vasculaire marqués avec le SPIO, in situ, in vitro et dans des « conditions » in vivo, sous IRM 1,5T et 3T. Les agents d'occlusion étudiés sont des microsphères de trisacryl (Embosphère®), et des microparticules ou microcapsules utilisées éventuellement comme vecteurs de principes actifs : parmi celles-ci, des microsphères gonflables (Hépasphère™) non dégradables ont été marquées, et des microbilles d'alginate et des systèmes d'émulsions dégradables réalisés par nos soins. L'établissement de protocoles de détectabilité sous IRM a impliqué le choix de séquences et l'optimisation des paramètres de ces séquences, le choix de l'antenne, ainsi que la mise au point d'une quantité suffisante de marqueur dans les agents d'occlusion afin qu'ils soient visibles à l'IRM. Une méthodologie de mesure de faible variation de l'intensité du signal des images IRM a été développée. Un modèle expérimental in vitro a été conçu avec la présence des microparticules marquées dans un environnement simulant grossièrement une vascularisation tumorale et son drainage veineux. La fixation des immunoglobulines (IgG1), équivalentes aux anti-VEGF, sur des microsphères (Hépasphères™) a été étudiée. Enfin, les propriétés mécaniques et électriques des systèmes de microémulsions ont été explorées par ultrasons et par impédancemétrie.

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.
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.
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.
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.
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.

La néoangiogénèse est impliquée dans le développement des tumeurs. Certains facteurs stimulant l’angiogénèse ont été isolés et peuvent être inhibés. La surveillance de l’activité de ces thérapies inhibitrices, souvent cytostatiques, ne peut se baser sur une observation morphologique. L’étude fonctionnelle de la microcirculation est possible en IRM grâce à l’analyse de la pharmacocinétique de traceurs dans la tumeur. L’activité d’une thérapie antiangiogénique a été surveillée en IRM grâce au Spin Labeling (ASL) couplé à une suppression du bruit de fond. Cette technique permet de quantifier la perfusion tissulaire, grâce à un marquage électromagnétique des protons du sang. L’ASL a permis de distinguer dès le 1er mois les patients répondeurs des patients en progression, ce que les mesures morphologiques ne révélaient qu’à 3 mois. L’analyse de la perméabilité capillaire par l’analyse dynamique des rehaussements (ADR) tissulaires et artériels après injection de produit de contraste a été optimisée grâce à une séquence double écho dont la pondération était adaptée aux concentrations mesurées : T2* pour les concentrations élevées et T1 pour les basses. Cette technique a permis de réduire de 58% l’erreur d’estimation de la perméabilité capillaire. Le développement d’une technique de mesure des temps de relaxation en une apnée a permis d’améliorer les estimations de perfusion (ASL) et de perméabilité (ADR) en évitant d’utiliser des valeurs de T1 tumorales approximatives lors de la quantification. En mesurant la perfusion et la perméabilité tumorale, cibles des traitements antiangiogéniques, l’ASL et l’ADR se présentent comme des méthodes attractives pour le suivi de ces thérapies
Angiogenesis plays a key role in tumor growth. New approaches to treat cancer by interfering with angiogenesis stimulating factors are now available. However, clinicians need new surrogates of antiangiogenic activity. Tumor size changes occure 2 or 3 month after the beginning of the treatment, which is to late. Functional analysis of tracer kinetic in tissue in MRI may be an attractive alternative. Antiangiogenic activity of a VEGF receptor inhibitor, was evaluated by tumor blood flow, assessed by arterial spin labeling (ASL) with background suppression. Preliminary results reveal a significant correlation (Spearman r = 0. 90, p =. 0002) between the change in blood flow at 1 month and change in tumor size measured at 4 months or the time of disease progression. A capillary permeability assessment in dynamic contrast enhancement (DCE) was optimized using a dual gradient echo sequence. This dual sequence was sensitive to high concentration thanks to T2* weighted images and to low concentrations with T1 weighted slices. The use of this sequence leads to reduce by 58% the permeability measurements. The development of a new technique to assess to relaxation time in the body within a single breath hold may improve perfusion and permeability measurements. Real relaxation time can be used for quantification instead of theoretical values, reducing systematic error. ASL and DCE have promise as early predictors of clinical response to antiangiogenic therapies and may help to identify non-responding patients

Le cadre de ce travail est l'optimisation des protocoles d'IRM fonctionnelle cérébrale chez l'homme basés sur les propriétés paramagnétiques de la désoxyhémoglobine, sur un imageur à haut champ (3 Tesla). Cette technique expose à de nombreux obstacles méthodologiques. En particulier, les séquences Echo Planar choisies pour leur extrême rapidité d'acquisition, sont très sensibles à certains artefacts (déformations image dédoublée) et produisent un bruit acoustique intense. Ces effets sont aggravés par l'existence d'un haut champ magnétique. Nous avons proposé, validé et mis en œuvre des développements méthodologiques originaux pour corriger cerfains artefacts et améliorer les conditions de réalisation de ces études : Nous avons mis en œuvre une technique de correction des distorsions géométriques (selon P. Jezzard), que nous avons validée sur des mesures d'activation cérébrale. Pour supprimer l'image "fantôme" caractéristique des séquences Echo Planar, nous avons modifié une technique de double échantillonnage (selon Yang) pour l'Echo Planar à encodage continu, et programmé un algorithme spécifique de reconstruction. Le bruit de la séquence gênant la compréhension des stimuli verbaux, nous avons modifié des séquences, validées sur fantôme, comportant des périodes de silence pour présenter le matériel verbal aux sujets adaptées aux exigences temporelles des paradigmes "en bloc" et des paradigmes "événementiels". Nous avons développé et validé un outil pour corriger systématiquement les déphasages intercoupés dus à l'étalement dans le temps de l'échantillonnage des coupes d'un volume de cerveau, après avoir mis en évidence les biais que produisent ces déphasages. Pour appréhender les mouvements involontaires de la tête, une des principales causes d'échec dans les protocoles d'IRM fonctionnelle, nous avons démontré la faisabilité, sur fantôme et chez le volontaire, d'un système de mesure directe basé sur des marqueurs externes non protoniques
The aim of this work is to optimize functional studies of the human brain on a whole body 3 Tesla MRI scanner. A number of artifacts were to be fixed, mainly related to the Echo Planar Imaging sequence, which affords extremely fast acquisition rates, but is highly sensitive to strong artifacts (distortion, ghost image) and produces a high level of noise. These effects are even worsened at high magnetic field values. We proposed, validated and implemented sorne original methodological approaches to attenuate some artifacts and improve the quality of fMRI studies conducted in the laboratory. We have implemented a correction procedure for image distortions (from P. Jezzard) that we have validated on cerebral activation measurements. To suppress the ghost image, which is characteristic of Echo Planar Imaging, we modified a double sampling technique (from Yang), for continuous phase encoding Echo Planar Imaging, and we wrote a specifie algorithm needed for image reconstruction. To present auditory stimuli in the context of the high level of noise, we designed two modified Echo Planar sequences with the insertion of silent periods to present verbal material to the subject. One sequence is dedicated for blocked design experiments, the other for event-elated paradigms. The modified sequences were also validated in phantom studies. After having shown that sarnpling the brain slice by slice over time produced significant bias in images analysis, we have developed and implemented a correction algorithm to interpolate samples on the first slice acquisition time for each brain volume. Head motions are one of the main sources of unsuccessful fMRI studies. To measure the head position in the magnet, we demonstrate the feasibility of a method based on non proton fiducial markers, the position of which is measured by projections interleaved in the Echo Planat imaging scheme

Le microcebe murin (microcebus murinus) est un petit primate lemurien (12 cm) dont l'esperance de vie est courte (12 ans maximum). Il pourrait etre un bon modele du vieillissement cerebral normal et eventuellement de la maladie d'alzheimer. Nous avons teste 6 jeunes microcebes adultes et 7 microcebes ages dans differents tests comportementaux. Grace a des tests d'apprentissage et de generalisation d'apprentissage d'une discrimination visuelle simple et a des tests de non-appariement retarde et d'alternance retardee, nous avons decrit une alteration de la memoire procedurale, declarative ainsi qu'une rigidite comportementale et une atteinte du systeme frontal chez certains animaux ages. Grace a un imageur de 4,7 tesla, nous avons caracterise les cerveaux de 39 microcebes en imagerie par resonance magnetique nucleaire sur un mode transversal et longitudinal. Nous avons decrit une diminution logarithmique du signal pondere en t2 dans les noyaux gris centraux en fonction de l'age. Cette diminution du signal etait liee a une accumulation de depots de fer. Nous avons aussi decrit deux types d'atrophie cerebrale chez les microcebes. Le premier type touchait principalement la corne temporale du ventricule lateral dans la region para-hippocampique. Ce type d'atrophie atteignait principalement des animaux d'ages intermediaires (entre 3,5 et 8 ans). Les animaux atteints par ce processus mouraient plus vite que les animaux non atteints. Le deuxieme type d'atrophie touchait le cortex entorhino-piriforme. Ce type d'atrophie atteignait uniquement des animaux ages de plus de huit ans. L'etude neuropathologique des cerveaux de 26 animaux a revele de nombreuses plaques diffuses corticales chez un seul animal. C'etait un animal age avec une atrophie importante du cortex entorhino-piriforme. Un autre animal qui presentait ce type d'atrophie n'avait pas de plaques seniles. 7 animaux, dont des jeunes adultes, presentaient une angiopathie amyloide.

Reliant le cerveau à la moelle épinière, le tronc cérébral (TC) est une zone de convergence des voies motrices et sensitives. Il comporte différents noyaux, responsables de diverses fonctions comme la motricité, la régulation des rythmes respiratoires et cardiaques, l'origine de nerfs crâniens. Malgré une importance dans différentes pathologies neurodégénératives, l'exploration in vivo du TC reste encore aujourd'hui un enjeu à relever. La résolution employée, le faible contraste et sa localisation rendent son étude difficile en imagerie par résonance magnétique (IRM) conventionnelle. A partir de différentes séquences IRM avancées, nous avons réalisé, chez une population de patients parkinsoniens, une étude de la substance noire (SN), zone située dans la partie haute du TC. Les résultats montrent que l'imagerie du fer associée à l'imagerie de l'eau libre suggère des processus physiopathologiques sous-jacents différents. Néanmoins, aux vues de la taille des structures étudiées, le besoin de précision reste nécessaire pour une identification avec plus de fiabilité. L'originalité de la proposition est de développer une méthode dédiée au TC, afin de pallier au mieux, les difficultés de son observation. Par une optimisation des acquisitions IRM, et plusieurs traitements d'images, les résultats obtenus montrent la possibilité d'identifier facilement certaines structures et une stabilisation des valeurs quantitatives. Pour terminer, toujours dans l'objectif de l'amélioration des mesures IRM, nous nous sommes intéressés à l'IRM sur pièces anatomiques humaines. L'IRM post-mortem est utilisé dans le cadre de cette thèse pour la mise en évidence et la quantification des métaux (fer) et la corrélation avec des techniques histologiques
Connecting the brain to the spinal cord, the brain stem Brainstem (BST) is an area of convergence of motor and sensory pathways. It has different nuclei, responsible for various functions such as motor skills, regulation of respiratory and cardiac rhythms, the origin of cranial nerves. Despite its importance in various neurodegenerative diseases, in vivo exploration of BST is still a challenge today. The resolution used, the low contrast and its location make it difficult to study in conventional magnetic resonance imaging (MRI). Based on various advanced MRI sequences, we carried out a study of the substantia nigra (SN) in a population of Parkinson's patients, an area located in the upper part of the BST. The results show that iron imaging combined with free water imaging suggests different underlying pathophysiological processes. Nevertheless, given the size of the structures studied, the need for precision remains necessary for more reliable identification. The originality of the proposal is to develop a method dedicated to BST, in order to best overcome the difficulties of its observation. By optimizing MRI acquisitions and several image processing, the results obtained show the possibility of easily identifying certain structures and stabilizing quantitative values. To conclude, still with the objective of improving MRI measurements, we were interested in MRI on human anatomical parts. Post-mortem MRI is used in this thesis for the detection and quantification of metals (iron) and correlation with histological techniques

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. 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. 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. 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. 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
This work is part of a French project called R-MOD that aims at the development of a morpho-functional simulator of the upper and central airways. Here, hyperpolarized gas (HPG) MRI methods to visualize and quantify gas flows were developed to test the predictions of the simulator. To reach this goal, a dedicated MR-compatible device was built to administrate HPG in a controlled way and different imaging strategies were evaluated. A first qualitative approach was based on dynamic imaging of a HPG inspiration. An analysis of this type of experiment was achieved. The temporal evolution of the phenomenon is too high to be correctly imaged with the state-of-the-art techniques. Nevertheless, spatial distribution of the magnetization within the lung reaches an equilibrium state during a stationary inspiration. This equilibrium state depends on parameters that were explored both theoretically and experimentally through several dynamic imaging techniques. A second approach, more quantitative, is based on phase-contrast velocimetry combined with rapid radial imaging. The technique was first validated on known flow patterns (straight, curved and bifurcating pipes) and then applied on a realistic bronchial tree reconstructed from medical images and compared to computational fluid dynamics simulations. The 3 velocity components were measured within about 1 s, with 1-mm spatial resolution, and a precision of 1cm·s-1. Finally, in vivo feasibility was shown on a human trachea during an inhalation. This flow characterization technique based on HPG MRI is a promising tool for fluid dynamics studies and for related medical applications

"L'embolisation artérielle a récemment émergé sur le plan interventionnel comme un traitement sûr et efficace pour arrêter une hémorragie ou induire la dévascularisation d'un tissu cible. La visualisation directe des agents d'occlusions vasculaires n'est pas toujours possible. L'estimation de leur position dans la branche vasculaire en se basant sur la distribution de produit opaque aux rayons X est partiellement incorrecte. Un marquage des agents d'occlusion vasculaire est souhaitable pour leur suivi par IRM pendant l'intervention ou a posteriori, ce, notamment en raison de la diffusion de l'IRM comme modalité d'imagerie anatomique et interventionnelle. Dans ce travail, plusieurs protocoles ont été établis pour repérer des agents d'occlusion vasculaire marqués avec le SPIO, in situ, in vitro et dans des " conditions " in vivo, sous IRM 1,5T et 3T. Les agents d'occlusion étudiés sont des microsphères de trisacryl (Embosphère), et des microparticules ou microcapsules utilisées éventuellement comme vecteurs de principes actifs : parmi celles-ci, des microsphères gonflables (Hépasphère) non dégradables ont été marquées, et des microbilles d'alginate et des systèmes d'émulsions dégradables réalisés par nos soins. L'établissement de protocoles de détectabilité sous IRM a impliqué le choix de séquences et l'optimisation des paramètres de ces séquences, le choix de l'antenne, ainsi que la mise au point d'une quantité suffisante de marqueur dans les agents d'occlusion afin qu'ils soient visibles à l'IRM. Une méthodologie de mesure de faible variation de l'intensité du signal des images IRM a été développée. Un modèle expérimental in vitro a été conçu avec la présence des microparticules marquées dans un environnement simulant grossièrement une vascularisation tumorale et son drainage veineux. La fixation des immunoglobulines (IgG1), équivalentes aux anti-VEGF, sur des microsphères (Hépasphères) a été étudiée. Enfin, les propriétés mécaniques et électriques des systèmes de microémulsions ont été explorées par ultrasons et par impédancemétrie. "
Arterial embolization appeared recently as a safe and an effective treatment to stop bleeding or induce devascularisation of a target tissue. Direct visualization of vascular occlusion agents is not always possible. The estimation of their position inside a vascular branch based on the distribution of X-ray contrast agent is partially incorrect. Marked vascular occlusion agents with MRI contrast agent is a good way for MRI follow-up during or after the intervention. In this work, several protocols have been established to demonstrate the feasibility localization of vascular occlusion agents marked with SPIO, in situ, in vitro and in vivo " conditions ", at 1,5T and 3T. Studied occlusion agents were tris-acryl microspheres (Embosphere), and microparticles or microemulsions possibly used as vehicles for drugs : among these, inflatable microspheres (Hepasphere) aimed to permanent vessel occlusion were marked, alginate microspheres and emulsion droplets for temporary embolization were made by us. Established protocols for microspheres follow-up by MRI involve selection of MR sequences with optimized parameters, coil choice, and determination of contrast agent quantity inside the microparticles in order to make them visible on MRI. A measurement methodology for small variation of signal intensity in images has been proposed. An experimental in vitro model has been designed with the presence of SPIO marked microparticles in an environment simulating a vascular tumor with venous drainage. The fixation of immunoglobulin (IgG1), equivalent to anti-VEGF, to microspheres (Hepaspheres) has been studied. Finally, mechanical and electrical properties of microemulsions have been explored by ultrasound and impedancemeter

Résumé : L’imagerie testiculaire développée dans notre unité a deux thématiques principales : l’infertilité et la caractérisation tumorale. Cette imagerie est basée sur l’échographie et l’IRM multiparamétriques. Nous avons défini des critères diagnostiques pour différentes pathologies, ayant un impact sur la prise en charge des patients, et évalué des modalités innovantes.Nous avons caractérisé l’aspect des testicules de patients infertiles porteurs d’un syndrome de Klinefelter. Nous avons déterminé l’aspect en Mode B et en Doppler couleur des tumeurs à cellules de Leydig dont la plupart sont actuellement découvertes de façon fortuite et peuvent bénéficier d’une surveillance ou d’une tumorectomie. Nous avons défini les critères diagnostiques des tumeurs éteintes ou «burned out tumors» découvertes en écho-Doppler chez des patients adressés pour bilan d’infertilité.Nous avons montré la capacité de l’IRM multiparamétrique à améliorer la caractérisation tumorale, par l’analyse qualitative et quantitative du rehaussement et par la valeur du coefficient de diffusion (ADC).L’échographie de contraste a montré des différences significatives entre les tumeurs éteintes et les autres lésions.L’élastographie par onde de cisaillement a montré des différences de dureté entre les testicules des patients infertiles par mécanisme obstructif et non obstructif mais le chevauchement des valeurs minimise l’impact clinique potentiel. Les tumeurs bénignes à cellules de Leydig étaient plus molles que les tumeurs malignes et les tumeurs éteintes. Le couplage des informations données par le mode B, le Doppler couleur, et l’élastographie ont permis une caractérisation optimale.Le Doppler ultrasensible a permis une analyse qualitative de l’architecture vasculaire des tumeurs, de la vascularisation testiculaire dans les urgences scrotales et une quantification de la vascularisation testiculaire. Nous avons objectivé une diminution de la vascularisation testiculaire pendant la manœuvre de Valsalva chez les patients avec varicocèle, ce qui représente une explication physiopathologique à l’infertilité par mécanisme hypoxique
The testicular imaging we developped in our department focused on two main subjects: infertility and tumoral characterization. It is based on multiparametric ultrasound and MRI. We defined diagnostic criteria of several pathologies, which may change the patient’s management, and we evaluated new modalities.We characterized Klinefelter patient’s testis.We determined the Color-Doppler features of Leydig cell tumors which are currently incidentally discovered and can benefit from monitoring or tumorectomy.We defined multiparametric US and MRI diagnostic’s criteria of burned out tumors in patients referred for US infertility screening.We demonstrated the ability of multiparametric MRI to improve the tumoral characterization using qualitative and quantitative enhancement parameters and apparent diffusion coefficient values.CEUS showed significant differences between the burned out tumors and other lesions.. Shear Wave Elastography (SWE) showed significant differences in testicular stiffness between normal, obstructive azoospermia on one side and non-obstructive azoospermic patients, but overlapped values seemed to minimize the potential clinical impact. Benign Leydig cell were softer compared to malignant tumors and burned out tumors. Association of B mode, color Doppler, and elastography allowed an optimal characterization.Ultrasensitive Doppler allowed a qualitative evaluation of the tumoral vascular architecture, a testicular vascularization assessment in case of acute scrotum, and a testicular perfusion quantification. We demonstrated a decreased testicular vascularization during the Valsalva maneuver confirming the hypoxic physiopathological explanation of the infertility process

En neurosciences et en médecine, l'imagerie fonctionnelle de la perfusion cérébrale permet de caractériser les variations régionales du couplage neurovasculaire et de la vasoréactivité aux gaz circulants. Grâce à l'IRM par marquage des spins artériels (ASL), il est possible de mesurer la perfusion de façon quantitative, dynamique et reproductible sans injection de produit de contraste. Ce travail méthodologique a consisté à mettre en place et optimiser une séquence IRM de quantification de la perfusion par ASL pour étudier la vasoréactivité cérébrale. Pour disposer d'une mesure quantitative avec une sensibilité maximale, des simulations numériques et des expériences sur sujets sains ont permis d'optimiser : l'amplitude des impulsions RF, en prenant en compte l'hétérogénéité du champ B1 ; les délais des impulsions d'inversion pour supprimer le signal statique ; la position de la zone de marquage par rapport au champ de transmission du résonateur RF ; l'espacement minimal entre la zone de marquage et la région d'intérêt ; la durée de bolus et le temps d'attente avant l'acquisition. Une méthode originale de caractérisation rapide du bolus de sang marqué en début de chaque expérience a été développée pour permettre un paramétrage optimal de la séquence pour chaque sujet. Ces méthodes ont été utilisées pour caractériser les effets de l'inhalation de mélanges d'oxygène et de carbogène à teneur variable en CO2 sur la perfusion cérébrale chez des sujets sains. En parallèle, les mêmes méthodes de perfusion sont utilisées dans une étude qui vise à caractériser la vasoréactivité cérébrale dans la maladie d'Alzheimer
In neurosciences and medicine, functional imaging of brain perfusion is a mean to characterize regional variations of neuro-vascular coupling and alterations of the vasoreactivity to circulating gases in patients. Arterial Spin Labeling (ASL) is an MRI method which provides a quantitative and reproductible measure of brain perfusion and its dynamical changes, without the need for injection of contrast agents. This thesis presents the implementation of an MRI sequence for the quantification of cerebral blood flow by ASL and its optimization for the study of cerebral vasoreactivity. To obtain a quantitative measure with maximal sensitivity, numerical simulations and experiments on healthy subjects have allowed to optimize: the amplitude of RF pulses, the inversion pulse delays to suppress static signal, the limits of the position of the tagging band with respect to the RF resonator, the minimal allowable gap between tagging band and region of interest, the bolus duration and delay time before acquisition. An original method to rapidly caracterize the bolus of labeled blood in each session has been developed to provide an optimal parametrization of the sequence for each subject. These methods have been used to characterize the effects of inhalation of oxygen and carbogen mixtures with varying CO2 concentrations on perfusion in healthy subjects. In parallel, the same perfusion methods are used in a study to characterize cerebral vasoreactivity in Alzheimer's Disease patients

Le cholangiocarcinome représente l'ensemble des cancers qui se développent dans les voies biliaires. C'est une tumeur primitive hépatique qui en raison de sa localisation, est difficile à diagnostiquer. Le traitement principal est la résection chirurgicale mais qui représente également un risque majeur de mortalité. La chimiothérapie et la radiothérapie ont également un effet très limité sur la survie. C'est pourquoi il est nécessaire de mettre en place des méthodes originales pour faire face à ce problème. Les nanoparticules d'or sont des objets avec des propriétés physico-chimiques très intéressantes pour le traitement du cancer. Dans le domaine de la nanothéranostique, les nanoparticules hybrides, peuvent être très intéressantes pour servir à la fois de vecteurs de substances thérapeutiques et de sondes d'imagerie pour le diagnostic. Le but de ce travail était la conception et le développement des agents nanothéranostiques polymériques hybrides dont les propriétés optiques et morphologiques seront optimisées pour leur application, comme le ciblage thérapeutique, le diagnostic et la thérapie. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé des systèmes multifonctionnels complexes en utilisant des nanoparticules bimétalliques avec l'or et des agents de contraste. Afin de développer des nanovecteurs anticancéreux, ces nanoparticules ont été fonctionnalisées par des agents thérapeutiques (la doxorubicine, le cisplatine et la gemctiabine) par la méthode développée dans notre laboratoire, la synthèse IN
Cholangiocarcinoma represents all cancers that develop in the bile ducts. It is a primary liver tumour that is difficult to diagnose because of its location. The main treatment is surgical resection but it also represents a major risk of death. Chemotherapy and radiotherapy also have a very limited effect on survival. That is why it is necessary to put in place original methods to deal with this problem.Gold nanoparticles are objects with very interesting physicochemical properties for the treatment of cancer. In the field of nanotheranostics, hybrid nanoparticles can be very interesting to serve both as vectors of therapeutic substances and imaging probes for diagnosis. The aim of this work was the design and development of hybrid polymeric nanotherapy agents whose optical and morphological properties will be optimized for their application, such as therapeutic targeting, diagnosis and therapy. To achieve this goal, we have developed complex multifunctional systems using bimeallic nanoparticles with gold and contrast agents. In order to develop anticancer nanovectors, these nanoparticles were functionalized by therapeutic agents (doxorubicin, cisplatin and gemctiabin) by the method developed in our laboratory, IN synthesis

Contexte Les cancers ORL sont majoritairement des carcinomes épidermoïdes (HNSCC). La tomographie par émission de positons-[18F]fluorodésoxyglucose/imagerie par résonance magnétique (TEP-[18F]FDG/IRM) combine la TEP et l’IRM. Elle donne des informations sur le métabolisme du glucose et permet conjointement des séquences IRM anatomiques et avancées (IRM de perfusion et perméabilité, DCE-IRM ; IRM pondérée en diffusion, DWI ; IRM pondérée en diffusion du mouvement incohérant intravoxel, IVIM-DWI). Objectifs Les objectifs généraux étaient d’optimiser la DCE-IRM et d'étudier les performances de la TEP/IRM pour le diagnostic de HNSCC des ganglions lymphatiques ORL. La première étude a quantifié l'influence de la méthode de mesure de la fonction d’entrée artérielle (AIF) sur les valeurs des paramètres pharmacocinétiques (PKP) de DCE-IRM, pour le HNSCC et pour des muscles ORL, considérés comme des tissus de référence potentiels. La deuxième étude a vérifié l’état de repos des muscles ORL par la mesure des valeurs de PKP et de fixation normalisée (SUV), puis comparé les valeurs de SUV du HNSCC avec les valeurs de PKP du HNSCC, et avec les valeurs de PKP du HNSCC rapportées aux valeurs des PKP musculaires. La troisième étude a calculé les performances diagnostiques des paramètres ganglionnaires (volume, SUV, PKP, PKP ganglionnaires rapportées aux PKP musculaires, paramètres DWI, IVIM-DWI) issus de la TEP- [18F]FDG/IRM pour l’étude du statut bénin/malin des ganglions lymphatiques ORL ; puis décrit le profil multiparamétrique ganglionnaire. Méthodes Travaux réalisés conformément aux recommandations éthiques. Tous les personnes avaient une preuve histologique de HNSCC pour la tumeur et pour les ganglions. Les examens étaient réalisés sur une TEP/IRM 3 Tesla (SignaTM, GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA). Les traitements d’images étaient réalisés avec les logiciels Olea Sphere, 3D Slicer. Résultats Dans la première étude les valeurs des pics (amplitude) d'AIF variaient avec la méthode de mesure d’AIF, en conséquence la plupart des paramètres PKP variaient. Les ratios de valeurs PKPtumeur/PKPmuscle étaient moins sensibles aux variations d’AIF. Dans la deuxième étude les muscles ORL avaient des valeurs de PKP et de SUV correspondant à l'état de repos rapporté dans la littérature. Il n'y avait pas de corrélation entre les valeurs des PKP et les valeurs de SUV, ce qui est apparu cohérent avec une fluctuation aléatoire autour de valeur de base d’un état de repos. Des tendances à de faibles corrélations entre SUVmax et Ktrans, kep en utilisant des valeurs tumorales absolues sont devenues toutes significatives et modérées lors de l'utilisation des valeurs de ratio tumeur/muscle des PKP. Dans la troisième étude les performances diagnostiques du volume et des SUV ganglionnaires étaient bonnes. Les performances des DCE-IRM, DWI, IVIM-DWI étaient moindres, y compris en utilisant les valeurs des ratio ganglion/muscle des PKP. Le nombre de ganglions explorés simultanément par les trois techniques était trop faible pour établir une signature multiparamétrique d’HNSCC. Conclusion La TEP-[18F]FDG/IRM permet une observation synchrone multimodale des HNSCC. Le travail de thèse a exploré et proposé l’utilisation du rapport tumeur/muscle des valeurs de PKP de DCE-IRM. L’utilisation de ce rapport tant à mettre en évidence une corrélation entre les PKP de la DCE-IRM et le SUV, les résultats de la littérature étant jusqu’à présent peu cohérents sur ce sujet. Par ailleurs ce rapport pourrait avoir un intérêt pour une utilisation multicentrique de la DCE-IRM et pour le suivi longitudinal des patients. L’application de la TEP- [18F]FDG/IRM multiparamétrique et du rapport ganglion/muscle des valeurs de PKP a confirmé l’intérêt du volume ganglionnaire et du SUV pour la recherche de HNSCC ganglionnaire, les autres paramètres, même corrigés par le rapport musculaire, restaient en retrait pour notre population
Context Head and neck cancers (HNC) are predominantly squamous cell carcinomas (HNSCC). [¹⁸F]fluorodeoxyglucose-positron emission tomography /magnetic resonance imaging ([¹⁸F]FDG-PET/MRI) combines PET and MRI. It provides information on glucose metabolism and jointly allows anatomical and advanced MRI sequences (Perfusion and permeability MRI, DCE-MRI; Diffusion-weighted MRI, DWI; Intravoxel incoherent motion diffusion-weighted MRI, IVIM-DWI). Objectives The general objectives were to optimize DCE-MRI and to study the performance of PET/MRI for the diagnosis of HNSCC of head and neck lymph nodes. The first study quantified the influence of the arterial input function (AIF) measurement method on the values of DCE- MRI pharmacokinetic parameters (PKP), for HNSCC and for head and neck muscles, considered as potential reference tissues. The second study verified the resting state of the head and neck muscles by measuring PKP and standardized uptake (SUV) values, then compared HNSCC SUV values with HNSCC PKP values and HNSCC-to-muscle PKP ratios. The third study evaluated the diagnostic performances of the lymph node parameters (volume, SUV, PKP, lymph node PKP reported to muscle PKP, DWI parameters, IVIM- DWI) from [18F]FDG-PET/MRI for the study of the benign/malignant status of head and neck lymph nodes; then described the multiparametric lymph node profile. Methods The studies adhered to ethical guidelines. All patients had histological evidence of HNSCC for the tumor and for the lymph nodes. The examinations were performed on a 3 Tesla PET/MRI (SignaTM, GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA). Image processing was performed with Olea Sphere, 3D Slicer software. Results In the first study, AIF peak values (amplitude) varied with the AIF measurement method, consequently most PKP parameters varied. PKPtumor/PKPmuscle value ratios were less sensitive to AIF variations. In the second study, head and neck muscles had PKP and SUV values corresponding to the resting state reported in the literature. There was no correlation between PKP values and SUV values, which appeared consistent with a random fluctuation around a resting state baseline value. Trends toward weak correlations between SUVmax and Ktrans, kep using absolute tumor values all became significant and moderate when using PKP tumor/muscle ratio values. In the third study, the diagnostic performances of lymph node volume and SUV were good. The performances of DCE-MRI, DWI, IVIM-DWI were lower, including using the values of the lymph node/muscle ratio of PKP. The number of lymph nodes explored simultaneously by the three techniques was too low to establish a multiparametric signature of HNSCC. Conclusion [18F]FDG-PET/MRI allows a multimodal synchronous observation of HNSCC. The thesis work explored and proposed the use of the tumor/muscle ratio of the PKP values of DCE-MRI. The use of this ratio aims to highlight a correlation between the PKP of DCE-MRI and the SUV, the results of the literature being so far inconsistent on this subject. Furthermore, this ratio could be of interest for a multicenter use of DCE-MRI and for the longitudinal follow-up of patients. The application of multiparametric [18F]FDG-PET/MRI and the lymph node/muscle ratio of PKP values confirmed the interest of lymph node volume and SUV for the search for lymph node HNSCC, the other parameters, even corrected by the muscle ratio, remained behind for our population

La caractérisation préopératoire des tumeurs annexielles est déterminante pour la prise en charge chirurgicale. L’IRM fonctionnelle dynamique avec injection (DCE-MRI) permet une optimisation de la caractérisation des tissus. Les tumeurs annexielles se distinguent selon leur courbe dynamique de rehaussement qui reflètent l’immaturité de la paroi vasculaire et l’expression du VEGFR-2 sur les cellules endothéliales. En vue d’une analyse quantitative du rehaussement, il est souhaitable de réaliser une séquence turbo-FLASH avec des angles élevés pour obtenir une dynamique de rehaussement optimale associée à une quasi linéarité de la relation entre le signal et la concentration de gadolinium. L’initialisation par un modèle de Kéty étendu stabilise la modélisation compartimentale à 4 paramètres qui permet la description la plus complète des échanges entre les compartiments vasculaire et interstitiel. L’optimisation de l ’acquisition et du post traitement des datas ont permis la réalisation d ’une analyse quantitative de la prise de contraste, analyse reproductible et pertinente pour comprendre les phénomènes physiopathologiques au sein des tissus. Dans le domaine des tumeurs annexielles, la perfusion tissulaire et la fraction volumique sanguine sont plus élevées dans les tumeurs malignes que dans les tumeurs bénignes. Enfin, l ’analyse quqntitative du rehaussement a permis la mise en évidence de données pertinentes sur la perfusion du myométre et tout particulièrement du myomètre interne qui pourrait avoir une rôle majeur dans l ’avenir dans le cadre des programmes de procréation médicalement assistée
The preoperative characterization of adnexal tumors is crucial for surgical care. Dynamic contrast enhanced MR imaging (DCE-MRI) allows an optimization of the tissue characterization. Adnexal tumors differ according to their dynamic curve enhancement, which reflect the immaturity of the vascular wall and the expression of VEGFR-2 on endothelial cells. For a quantitative analysis of enhancement, a turbo-FLASH sequence with high angles is better to get both optimal dynamic enhancement range and an almost linear relationship between the signal and the concentration of gadolinium. Initialization by a extended Kéty model stabilizes our two-compartmental model which allows the best description of exchanges between the capillary and the interstitial spaces. Using quantitative DCE MRI, malignant adnexal tumors display higher tissue perfusion and blood volume fraction than benign tumors. Finally, quantitative DCE-MRI is a suitable, non-invasive tool to assess physiological microvascular states and variations in normal myometrium, and could potentially be used to assess the role of the inner myometrium in assisted reproductive therapy

Un des objectifs majeurs de la neuroimagerie moderne est l'identification de nouveaux marqueurs qui puissent aider au diagnostic et au suivi des pathologies neurologiques. L'imagerie par résonnance magnétique multimodale (IRMm) est une approche permettant l'évaluation de plusieurs biomarqueurs complémentaires au cours d'un seul examen d'IRM. Cette approche a montré son efficacité dans de nombreuses études récentes et notamment dans la maladie de Parkinson. A l'approche IRMm précédemment utilisée, nous avons introduit un nouveau biomarqueur i.e. les changements de forme des structures sous-corticales à partir d'images pondérées en T1. Ce dernier marqueur vient enrichir l'approche IRMm composée de la quantification de : (i) la volumétrie à partir d'images pondérées en T1 (ii) de l'intégrité et l'orientation microstructurales à partir des images pondérées en diffusion et (iii) des dépôts de métaux à partir de la relaxométrie T2*. Nous avons appliqué l'approche IRM multimodale à une autre maladie neurodégénérative, la maladie d'Alzheimer à un stade précoce. Les résultats de cette étude préliminaire nous ont permis de suggérer la présence de processus physiopathologiques différents à la phase prodromique de la maladie d'Alzheimer. En effet nous avons observé pour l'hippocampe et l'amygdale une atrophie avec modification de l'intégrité microstructurale alors que seule une atrophie a été observée pour le thalamus et le putamen. Ces résultats nous ont aussi permis de confirmer l'importance d'une approche multimodale pour les études portant sur les maladies neurodégénératives. Parmi les marqueurs de l'IRMm, la quantification du fer intracérébral par relaxométrie T2* est une des méthodes qui a été développé ces dernières années à l'unité Inserm U825. Le dérèglement du métabolisme du fer et son accumulation sont en effet impliqués dans la physiopathologie de nombreuses maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson. L'expérience acquise à travers les différentes validations cliniques de cette méthode ces dernières années nous a conduit à améliorer cette dernière. Nous avons dirigé nos travaux sur l'amélioration de la méthode de relaxométrie R2* en optimisant l'acquisition d'une part et le traitement des images d'autre part. Nous avons donc comparé différentes résolutions, antennes, facteurs d'accélération, et nombres d'acquisitions par temps d'écho afin de déterminer les paramètres permettant d'obtenir le plus haut rapport signal sur bruit. Pour la partie traitement des images nous avons comparé la méthode utilisée comme référence, la méthode des moindres carrés par algorithme de Levenberg-Marquardt, à une autre méthode, la décomposition en valeur singulière pour estimer avec le plus de justesse le taux relaxation R2*. Nous avons ainsi pu mettre au point une séquence de relaxométrie T2* optimisée que nous avons comparé à celle utilisée lors de la première étude, dans le modèle du vieillissement physiologique. Au final en plus de permettre la discrimination entre sujets âgés et jeunes, les résultats obtenus avec cette nouvelle séquence se sont révélés être beaucoup moins sensibles au bruit
One of the main goals of modern neuroimaging is the identification of new markers that can help in the diagnosis and monitoring of neurological pathologies. Multimodal magnetic resonance imaging (MRIm), is an approach allowing the evaluation of several complementary biomarkers within one MRI. This approach has already demonstrated its efficiency in several recent studies, and in particular in Parkinson's disease. We added a new biomarker to the MRIm approach previously used i.e. shape changes of subcortical structures based on T1 images. This marker is now a part of our MRIm approach along with: (i) volumetry from T1 images, (ii) microstructural integrity and orientation from diffusion images and (iii) metal deposits from T2* relaxometry. We applied this multimodal MRI approach to an other neurodegenerative disease, the Alzheimer's disease at a prodromal stage. Results of this preliminary study gave us the opportunity to suggest the existence of two different physiopathological processes at the prodromal phase of the Alzheimer's disease. In fact we observed atrophy with modification of the microstructural integrity for the hippocampus and the amygdala, while only atrophy has been observed for the thalamus and the putamen. Those results also confirmed the necessity of studying neurodegenerative diseases in a multimodal way. Among MRIm markers, the T2* relaxometry for the quantification of intracerebral iron is one of the methods which has been developed lately at the Inserm U825. Dysregulation of iron metabolism and its accumulation are involved in the physiopathology of several neurodegenerative diseases like Parkinson's disease. The experience gained through the different clinical validation of this method in recent years has led us to improve it. Our work was to improve T2* relaxometry by optimizing the acquisition of the images on one hand, and the processing of the images on the other hand. We compared several resolutions, acquisition antennas, number of acquisition by echo time, to determine which parameters gave the higher signal to noise ratio. For the part about the process of the images, we compared the method used as a reference, the least square method using a Levenberg-Marquard algorithm, to an other method, the singular value decomposition to obtain the best estimation of the relaxation rate R2*. Then we were able to develop an optimized T2* relaxometry sequence, which we compared to the one used in the first study, but in the physiological ageing model. Finally in addition to allowing discrimination between elderly and young people, the results obtained with this new sequence were found to be much less sensitive to noise

Mes travaux de recherche s'articulent principalement autour de l'extraction automatisée de paramètres anatomiques et fonctionnels en L'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) du cœur et de l'aorte (les renvois des références dans ce document correspondent aux numéros de la liste des publications). Plus précisément, ces travaux sur l'IRM portent sur les thématiques suivantes : - Etude de la fonction cardiaque - Etude de la désynchronisation cardiaque - Etude de la perfusion myocardique et de la viabilité - Etude de l'élasticité de l'aorte - Etude du flux sanguin et détermination de zones de stress au niveau de la paroi de l'aorte - Métrologie des sinus de Valsalva Ces différents points vont être détaillés dans les paragraphes suivants. L'IRM, en particulier l'utilisation de séquences ciné-IRM, constitue de nos jours la technique de référence pour étudier la fonction cardiaque. Cependant, malgré les efforts déployés en traitement numérique des images, l'interprétation médicale subjective est toujours la méthode la plus répandue dans les services cliniques. La quantification automatique de la fonction cardiaque constituant une aide au diagnostic importante fut la thématique de mes travaux de thèse [1,2,5,21]. Ceux-ci portaient sur la segmentation automatique du ventricule gauche à partir de coupes petit-axe acquises en ciné-IRM. La méthode développée, basée sur la logique floue et la programmation dynamique, permet une segmentation automatique des contours endocardique et épicardique sur chaque image de chaque coupe, rendant ainsi possible le calcul automatique du volume du ventricule gauche au cours du cycle cardiaque, des volumes diastolique et systolique et par conséquent de la fraction d'éjection du ventricule gauche [21]. Je participe à une étude multicentrique (initiée conjointement par le CNRS et l'INSERM et impliquant de nombreux laboratoires français) sur les méthodes de détection automatique des contours du cœur sur des séquences cinétiques d'images, ainsi que sur les méthodes d'évaluation et de validation de ces segmentations [99]. Actuellement, des méthodologies permettant de comparer plusieurs méthodes d'estimation d'un paramètre d'intérêt clinique sans connaître de valeur de référence (i.e. sans gold standard) sont étudiées [102]. La seule segmentation du cœur sur des IRM n'est pas suffisante pour étudier certaines pathologies telles que la désynchronisation cardiaque. Des réglages spécifiques sur des séquences ciné-IRM conventionnelles ont permis d'obtenir des données appropriées à l'étude du mouvement local du cœur par des méthodes de flux optique basées sur la phase du signal [70,78]. Une étape supplémentaire consiste à transformer la modélisation locale du mouvement cardiaque en un paramètre de désynchronisation, calculé à partir du délai de contraction entre deux parois. Nos résultats, obtenus sur des patients présentant une désynchronisation, vont être confrontés aux paramètres utilisés en routine clinique. En effet, tous les patients ont un examen échographique, et le paramètre calculé en IRM sera comparé au Septal-to-Posterior Wall Motion Delay (SPWMD) calculé en échographie, ainsi qu'à la durée du QRS. L'étude de la fonction cardiaque n'est pas le seul outil disponible en IRM permettant d'étudier les atteintes cardio-vasculaires. En effet, l'IRM de perfusion après injection d'un produit de contraste à base de gadolinium permet d'obtenir des valeurs diagnostiques et pronostiques dans l'étude de l'obstruction micro-vasculaire après infarctus du myocarde [12,17,26]. Une automatisation du traitement permet une évaluation en routine clinique de l'étude de la perfusion du myocarde au premier passage d'un produit de contraste [13,18,24]. De plus, l'utilisation d'images acquises dix minutes après injection de ce produit permet la quantification de la viabilité myocardique, notamment en évaluant la taille et le degré de l'infarctus du myocarde [20,28]. Nos travaux ont entre autre montré les liens entre la taille de l'infarctus et l'hyperglycémie ainsi qu'une valeur pronostique importante de l'obstruction micro-vasculaire persistante [29,31,34]. Actuellement, nous travaillons sur le développement d'un outil informatique qui permettra l'évaluation complètement automatisée de la zone de l'infarctus, ainsi que de la zone périphérique de l'infarctus. Les anévrismes de l'aorte (ascendante ou descendante) présentent un risque naturel de rupture ou de dissection de la paroi. L'IRM fonctionnelle a ouvert d'autres critères d'évaluation du risque que le diamètre maximal en permettant d'étudier les propriétés élastiques de la paroi aortique, le stress hémodynamique ainsi que le flux au sein de l'aorte. Dans ce cadre, j'ai développé des séquences appropriées pour l'évaluation de ces propriétés de l'aorte ainsi que des protocoles de recherches spécifiques pour l'étude des anévrismes et/ou dissections de l'aorte abdominale, ou de l'aorte thoracique, notamment dans le cadre de suivi de syndromes génétiques ou de patients porteurs de bicuspidie aortique. Parmi les paramètres étudiés, la compliance et la distensibilité aortiques sont deux paramètres associés à l'élasticité de l'aorte. Nos travaux sur l'évaluation automatisée de la compliance aortique sur des populations à risques (entre autres des patients porteurs de syndromes liés au système cardio-vasculaire) [11,32] ont été intégrés dans des études plus vastes (comprenant des informations cliniques, biologiques, d'imagerie et de génétique) [15, 25, 27], certaines en collaborations avec l'APHP et le Collège de France (INSERM U36). Nous avons aussi montré que chez des sujets sains, la compliance aortique varie en fonction de l'âge, alors que le sexe et le tabac n'ont aucune influence sur ce paramètre [100]. De plus, la mesure de la distensibilité aortique est bien corrélée à une autre méthode non-invasive de mesure de l'élasticité de l'aorte, utilisant une technique d'impédance bioélectrique [35]. Cette étude a été effectuée en collaboration avec le laboratoire LISA et le CHU d'Angers. Un autre paramètre d'élasticité est la vitesse de l'onde de flux du sang, définie à partir d'IRM anatomiques et codées en vitesse de flux. Une méthode semi-automatique a été mise au point pour calculer ce paramètre, et le confronter à la compliance aortique. L'augmentation de la vitesse de l'onde de flux est liée à une diminution de la compliance aortique, et donc à une augmentation de la rigidité de l'aorte [30]. L'étude de l'élasticité de l'aorte en routine clinique est actuellement mise en place pour des examens concernant des syndromes familiaux de pathologie de l'aorte thoracique. L'IRM procure la possibilité d'acquisitions tridimensionnelles codées en vitesse de flux, permettant d'extraire de nombreux paramètres, comme la vitesse maximale du flux sanguin (en 3D), la vitesse radiale maximale (pour étudier les contraintes au niveau de la paroi), le débit sanguin instantané, la fraction de reflux, ainsi qu'une estimation, pour l'instant visuelle, de la forme tridimensionnelle du flux (flux laminaire, hélicoïdal ou turbulent) [43]. Par rapport aux sujets sains, la vitesse du flux sanguin maximale augmente significativement pour les patients porteurs d'une bicuspidie et diminue significativement pour les patients porteurs de la mutation MYH11 [79]. Actuellement, nos recherches se concentrent sur l'étude de la vitesse radiale, et de son impact dans l'évolution d'anévrisme de l'aorte thoracique, en particulier dans le cas de bicuspidie aortique. Un atout majeur de l'IRM est de pouvoir positionner les plans d'acquisition selon n'importe quelle orientation. Ainsi, l'utilisation d'une série de plans perpendiculaires à l'axe de l'aorte doit permettre une reconstruction 4D de celle-ci, sans effet de volume partiel. La collaboration avec le laboratoire MOIVRE de l'Université de Sherbrooke (Canada) a fournit des premiers résultats satisfaisants quant à la segmentation automatique de la lumière de l'aorte [44]. La segmentation automatique du thrombus et de la paroi de l'aorte s'avère plus difficile. Une amélioration de l'algorithme permet une segmentation semi-automatique générique (avec une interaction minime de l'utilisateur) de la lumière aortique et de la paroi aortique, aussi bien sur des IRM que sur des images tomodensitométriques de l'aorte, où les contraintes ne sont pas les mêmes. L'évaluation de l'élasticité de la paroi, ainsi que la modélisation du flux sanguin, seront intégrées dans la représentation 3D de l'aorte, pour associer la déformation de l'aorte à l'amplitude et l'orientation du flux sanguin, dans le but de rechercher de zones de fragilité, dites de " stress ". L'IRM permet une étude fiable des sinus de Valsalva en faisant l'acquisition des images selon un plan perpendiculaire à l'axe de l'aorte. Cependant, il n'y a pas actuellement de consensus sur les mesures à considérer à partir de ce plan pour évaluer les sinus, ou les anévrismes localisés sur un seul sinus. Le développement d'une méthode automatique de segmentation des sinus de Valsalva [45] procure une mesure et précise des différentes longueurs entre les commissures, les cuspides et le centre des sinus (lui aussi localisé automatiquement) [80,101]. Les mesures obtenues avec cet outil seront confrontées aux diamètres mesurés manuellement sur des images en coupe sagittale (IRM de types SSFP (en respiration libre ou en apnée), écho de spin (en respiration libre) et Turbo spin-echo (en apnée)).

Cette thèse "Tractographie cardiaque optimale utilisant l'IRM du tenseur de diffusion" à pour but de proposer et d'étudier une nouvelle formulation globale de la tractographie cardiaque à partir d'images de tenseur de diffusion synthétisant les données pondérées en diffusion. Les raisons sous-jacentes ayant conduits à une nouvelle formulation sont multiples. Les méthodes existantes sont pour la plupart locales comme les algorithmes de « streamline » (ligne de champ) et sont sujettes à de nombreuses imperfections, en particulier, leur faible robustesse par rapport au bruit dans les données. Un autre problème de ce type d'approches basé sur la résolution d'équations différentielles est leur dépendances quant à l'initialisation, ce dont notre méthode s'est totalement affranchit. L'autre but de cette thèse est de déterminer un ou plusieurs critères numériques pour comparer et qualifier les objets fibres. En effet, même s'il semble facile de caractériser qualitativement les fibres de façon visuelle, la création de mesures pour caractériser les fibres soit dans l'absolue, soit en comparaison aux données ou à d'autres fibre relève d'une toute autre approche
This thesis "Optimal cardiac tractography using DT-MRI" offers and studies a new formulation of cardiac tractography based on the use of diffusion tensor images that synthetize the information of the diffusion weighted images. The underlying reasons that led to a new formulation are manifold. Existing methods are mostly based on local data, such as the streamlining algorithms, and thus are subject to many imperfections, especially they are not robust to noise in the data. Another problem with this type of approach based on solving differential equations is their dependency on initialization, unlike the method under study. The other aim of this thesis is to determine one or more numerical criteria to compare and qualify fibers. Even though it seems easy to qualitatively characterize fibers based on the visualization, creating measures to characterize the fibers, either in absolute or in comparison to the data or other fibers, is actually challenging