Academic literature on the topic 'Imagerie médicale – Appareils et matériel – Innovation'

L'élastographie ondulatoire est une méthode d'imagerie visant à mesurer l'élasticité des tissus biologiques de façon non-invasive et quantitative. Récemment, la transposition de la technique à petite échelle baptisée micro-élastographie dynamique a permis de réaliser de premières mesures d'élasticité cellulaire par ondes de cisaillement grâce à un microscope optique. Cette thèse s'attache à en comprendre les limites et à développer de nouvelles méthodes de micro-élastographie, à tester de nouvelles sources d'ondes mais également des applications potentielles de la technique. Dans un premier temps, la dispersion d'ondes de cisaillement a été étudiée sur des gels de gélatine. Deux régimes distincts d'ondes élastiques guidées et d'ondes de cisaillement ont été identifiés. La limite haute fréquence de propagation des ondes a également été explorée, permettant d'établir l'existence d'une fréquence de coupure expliquant l'absence d'imagerie ultrasonore de cisaillement. La même approche a ensuite été appliquée à des fluides visco-élastiques faisant apparaître deux fréquences de coupure et permettant de revisiter les études déjà menées sur la rhéologie et la propagation d'ondes dans ce type de milieux. Puis, l'objectif initial étant de réaliser de la micro-élastographie sur des cellules uniques et les expériences précédemment réalisées avec des micro-pipettes présentant certains défauts, une méthode originale de micro-élastographie cellulaire a été développée. Une micro-bulle oscillante est utilisée comme source d'ondes de cisaillement sans contact à 15 kHz, pour réaliser des expériences sur des cellules sanguines appelées mégacaryocytes dont le diamètre est d'environ 15 µm. Il s'agit en fait des plus petits objets jamais explorés par élastographie. Des objets plus gros, des amas cellulaires de quelques dizaines de milliers de cellules ont également été étudiés. En effet, l'élastographie ultrasonore de ces modèles tumoraux d'environ 800 µm de diamètre étant impossible, la micro-élastographie optique est une technique adaptée. Ces échantillons contiennent des nano-particules magnétiques, donc une impulsion magnétique a pu être utilisée comme source d'ondes. Auparavant, des preuves de concept sur des gels à la fois macroscopiques (en élastographie ultrasonore) et microscopiques (en micro-élastographie optique) ont été menées pour valider l'utilisation de cette source de champ diffus. Enfin, des mesures d'ondes de pouls ont été réalisées sur des artères rétiniennes d'environ 50 µm de diamètre à partir d'acquisitions d'holographie Doppler laser réalisées in vivo. L'application d'algorithmes de corrélation monochromatiques a permis de mesurer la vitesse d'ondes guidées révélant l'existence d'une deuxième onde de pouls, une onde antisymétrique de flexion. Cette onde guidée, beaucoup plus lente que l'onde de pouls axisymétrique étudiée jusqu'à présent, a également été observée sur l'artère carotide grâce à des acquisitions ultrasonores ultrarapides
Dyanmic elastography is an imaging method to measure the elasticity of biological tissues in a non-invasive and quantitative way. Recently, the transposition of the technique to a small scale has been called dynamic micro-elastography and has allowed the first measurements of cellular elasticity by shear waves using an optical microscope. This thesis aims to undetstand the limits of this technique and to develop new micro-elastography methods, to test new wave sources but also potential applications of the technique. In a first step, the dispersion of shear waves was studied on gelatin phantoms. Two distinct regimes of guided elastic waves and shear waves were identified. The high-frequency limit of wave propagation was also explored, establishing the existence of a cutoff frequency which explains the absence of ultrasonic shear imaging. The same approach was then applied to visco-elastic fluids, revealing two cutoff frequencies and revisiting previous studies on rheology and wave propagation in this type of medium. Then, the initial objective being to carry out micro-elastography on single cells and the experiments previously carried out with micro-pipettes presenting certain defects, an original method of cellular micro-elastography was developed. An oscillating microbubble is used as a contactless shear wave source at 15 kHz to perform experiments on blood cells whose diameter is about 15 µm. These are the smallest objects ever explored by elastography. Larger objects, cell clusters of a few tens of thousands of cells have also been studied. Indeed, since ultrasound elastography of these tumour models of about 800 µm in diameter is impossible, optical micro-elastography is a suitable technique. These samples contain magnetic nanoparticles, so a magnetic pulse could be used as a wave source. Previously, proofs of concept on both macroscopic (in ultrasonic elastography) and microscopic (in optical micro-elastography) phantoms were conducted to validate the use of this diffuse field source. Finally, pulse wave measurements were performed on retinal arteries of about 50 µm in diameter using laser Doppler holography acquisitions performed in vivo. The application of monochromatic correlation algorithms allowed the measurement of guided wave velocities, finally revealing the existence of a second pulse wave, an antisymmetric bending wave. This guided wave, much slower than the axisymmetric pulse wave studied so far, was also observed on the carotid artery thanks to ultrafast ultrasound acquisitions

Le cancer de la prostate est le deuxième cancer le plus prévalent chez l’homme dans le monde. Il est suspecté par un test de PSA et/ou un ressenti plutôt dur lors d’un toucher rectal. Lors du dépistage, une IRM multiparamétrique est recommandée pre-biopsie. Malheureusement, l’interprétation des images n’est pas aisée, même pour des spécialistes, et fait apparaître des faux-positifs. L’élastographie est une technique permettant d’estimer la rigidité des tissus lors de l’induction de petites vibrations. Cette technique permettrait d’avoir une cartographie 3D de la dureté de la prostate. Nous pensons que l’élastographie par IRM peut aider l’IRM multi-paramétrique actuelle. De par la localisation et la consitution de la prostate, la propagation des vibrations est difficile. Ces travaux présentent la conception d’un dispositif non invasif de génération d’ondes, spécifique pour la prostate. Ensuite, un nouvel algorithme de séparation de champ est présenté. Cet algorithme permet une meilleure estimation de la rigidité et la correction d’artefacts induits par les vibreurs conventionnels. Enfin, cet algorithme peut avoir des applications dans les milieux poreux. En effet, dans les milieux poro-elastiques, une onde de compression lente se propage. Nous montrons la présence d’une telle onde dans un gel d’agar, dans une mousse poreuse, et in vivo dans le greffon renal. En plus de l’estimation classique de la vitesse des ondes de cisaillement, il est maintenant possible d’estimer la vitesse de l’onde de compression lente. C’est une information supplémentaire que peut utiliser le praticien dans son diagnostique. Dans le futur, des paramètres de porosité pourront être évalués
Prostate cancer is the second most prevalent cancer in men worldwide. It is suspected when the PSA density is high or/and the superficial prostate feels hard during digital rectal examination. Multiparametric MRI is now recommended prior biopsy when detecting for cancer. However, image interpretation is challenging, even for specialists, and brings many false-positive. Elastography is a technique to assess tissue stiffness by inducing small vibrations. It could provide a 3D map of the stiffness of the prostate. We believe that MR elastography could complement the current multiparametric MRI. Given prostate location and consitution, wave propagation is difficult though. The current work presents the design of a non-invasive wave generation device for the prostate. Then, a new field separation algorithm is presented. This algorithm provides a better estimation of the stiffness, and the correction of artefact generated by common vibrators. Finally, this algorithm can have applications in porous media. Indeed, in poro-elastic materials, a slow compression wave propagates. We observe such a wave in an agar gel, in a foam phantom, and in vivo in human kidney graft. In addition to the classic shear wave velocity estimation, it is now possible to estimate the compression wave velocity. This is an additional piece of information that the operator can use in its diagnostic. In the future, more porous parameters could be derived

Ce travail de thèse concerne l’étude des mécanismes de scintillation de monocristaux de LYSO:Ce et de céramiques denses de Gd2O2S:Pr,Ce et de LuGdO3:Eu pour pouvoir cibler leur optimisation. Les spécificités pour une application en imagerie médicale incluent un fort pouvoir d’arrêt des rayonnements  et X, un rendement lumineux élevé, un temps de réponse rapide et, pour la tomographie CT, un afterglow le plus faible possible. Un important travail de compréhension des mécanismes mis en jeu a permis de mettre en évidence le rôle dommageable joué par les défauts ponctuels sur les propriétés de scintillation de ces composés (lacunes anioniques pour LYSO:Ce et Gd2O2S:Pr,Ce, et oxygènes interstitiels pour LuGdO3:Eu). Deux voies d’optimisation de ces scintillateurs ont été approfondies : le codopage et les recuits sous atmosphère contrôlée. Le codopage de monocristaux de LYSO:Ce par Ca2+ et Mg2+ permet d’améliorer significativement le rendement lumineux et l’afterglow, tout en stabilisant une partie importante de Ce4+ par un mécanisme de compensation de charges. Ces améliorations sont complémentaires avec celles d’un recuit oxydant. L’afterglow de LuGdO3:Eu a également été sensiblement optimisé, cette fois en utilisant des codopants trivalents (Ce3+, Pr3+ et Tb3+). Enfin, nous avons mis en avant qu’appliquer un recuit sous atmosphère soufrée est un moyen efficace de réduire l’afterglow des céramiques de Gd2O2S:Pr sans en dégrader le rendement lumineux.

Nous avons pu observer récemment d’importants progrès dans les techniques d’imageries médicales qui ont été accompagnés par le développement d’outils informatiques de prévisualisation et d’aide automatique au diagnostic. La réalisation de tels outils nécessite généralement la création d’un modèle mathématique capable de représenter les organes et dont la construction est divisée en trois étapes : (i)choisir et extraire les structures à étudier, (ii)choisir un modèle mathématique adapté à la représentation de ces structures particulières, (iii) estimer les variations des paramètres du modèle ainsi choisi. Cette thèse aborde donc chacune de ces taches de fac¸on originale. La modélisation des organes est décrite au travers de déformations et nécessite une étape préalable de recalage de forme. Ceci implique la définition d’une forme de référence ainsi que d’un ensemble de déformations. Cette thèse introduit l’utilisation d’incertitudes sur le recalage de formes : définies a l’aide d’une matrice de covariance dans l’espace des déformations, elles indiquent localement la fiabilité du recalage obtenu. Ensuite vient la modélisation des variations de formes, obtenue à partir d’un ensemble d’apprentissage représentant différentes instances de l’organe étudié. Cette thèse apporte à la phase de modélisation des déformations, les informations sur les erreurs de recalage au travers de la propagation des incertitudes. La contribution finale de la thèse touche à la segmentation de ces structures par un modèle déformable, guidé par le modèle de forme sur lequel les incertitudes dues au modèle sont évaluées. La segmentation cardiaque du ventricule gauche en imagerie scanner, ainsi que le corps calleux en imagerie à résonance magnétique ont été considérés pour démontrer les performances de cette approche.

Apres une presentation succinte de la situation de l'imagerie numerique en general et de ses applications medicales en particulier, l'accent est mis sur les modes de formation des images en medecine nucleaire, et plus specialement sur certains defauts des gamma-cameras. La correction de ces defauts est abordee, d'une part a travers une phase d'evaluation d'un correcteur en ligne des distorsions geometriques developpe par le laboratoire de physique nucleaire des hautes energie de l'ecole polytechnique, et, d'autre part, a travers l'etude de la fonction de transfert du detecteur. L'utilite de la connaissance de la ftm pour le choix d'un collimateur et pour restaurer les images acquises est mise en evidence. Partant de la, diverses techniques sont proposees pour extraire des parametres d'interet clinique concernant la cinetique cardiaque a partir de ventriculographies isotopiques et de tomographies des cavites cardiaques synchronisees sur le signal electrocardiographique

Le domaine de la neuroimagerie a connu un essor remarquable, grâce au développement de techniques d'acquisition de haute technicité, apportant au domaine des neurosciences- fondamentales et cliniques- des outils d'investigation d'une qualité sans cesse croissante. C'est l'un des domaines , dans lesquels une infrastructure permettant le partage de données multi-centriques, pourrait apporter une aide d écisive au progrès de la recherche. Neurobase est un projet qui cherche à construire un système fédéré, pour le partage de données et d'ouitls de traitement dans le domaine de la neuroimagerie. Cependant, la réalisation de ce type de système soulève plusieurs défis, l'hétérogénéité sémantique constituant certainement le plus critique. Les ontologies se sont révélées être le paradigme clé utilisé pour résoudre le problème de l'hétérogénéité sémantique et assurer l'interopérabilité entre systèmes hétérogènes. Ainsi, cette thèse , initiée dans le cadre du projet Neurobase, a pour but de construire une ontologie pour le partage de données et d'outils de traitement, dans le domaine de la neuroimagerie. Il s'agit de proposer une conceptualisation de ce domaine, pour les différents types d'imagerie ainsi que pour les outils de traitement appliqués à ces images. L'ontologie résultat de la conceptualisation devrait être une ontologie assez générale, pour embrasser tous les besoins du domaine, respecter des principes ontologiques formels, exprimer une sémantique riche, être richement axiomatisée, être rigoureuse, et enfin être consensuelle. La contribution de nos travaux se décline en deux aspects essentiels. Le premier aspect concerne la démarche originale adoptée pour construire nos ontologies, en définissant un cadre de références ontologiques à différents niveaux d'abstraction. Le second aspect concerne la proposition d'ontologies innovantes, qui répondent à certains besoins du domaine de la neuroimagerie, tout en respectant le cadre de références ontologiques adopté.

L'utilisation de l'imagerie ultrasonore de contraste pour l'évaluation de paramètres de la microcirculation chez l’homme et le petit animal est de plus en plus répandue. Cependant, la qualité des paramètres de perfusion estimés reste limitée par de nombreux facteurs : la variabilité de la concentration de l'agent de contraste, l’atténuation du signal ultrasonore et les mouvements présents dans les acquisitions. L'objectif de ce travail est de proposer des solutions méthodologiques pour une prise en compte adaptée de ces différents facteurs dans le cadre d'études par imagerie ultrasonore de contraste chez le petit animal. Une méthode de sélection d’images a posteriori a été proposée, permettant la compensation des mouvements d’origine respiratoire. Cette méthode, basée sur l’Analyse en Composantes Principales et intégrant des informations a priori relatives à la fréquence respiratoire, permet d’extraire les images acquises à un même instant du cycle respiratoire. Une méthode d’estimation de l’atténuation due aux microbulles a également été développée, permettant d’estimer une séquence dynamique spécifique de l’agent de contraste dépourvue d’artéfacts de masquage. Cette séquence dynamique fournit ainsi une représentation de la concentration de l’agent de contraste plus fiable que les séquences originales. Ces méthodes, implémentées dans un logiciel simple d’utilisation et convivial, ont été appliquées et validées sur des acquisitions de perfusion rénale chez la souris et des acquisitions rénales ex vivo réalisées chez le porc. Leur intérêt pour l’étude de la microcirculation tumorale et l’évaluation d’un traitement antiangiogénique ont notamment été mis en évidence
Contrast-enhanced ultrasound (CEUS) imaging is a modality of growing interest in human and small animal studies for the estimation of microcirculation parameters. Nevertheless, estimated microcirculation parameters are still impaired by several artefacts: the contrast agent concentration, microbubble attenuation and motion that is present in the acquisitions. The aim of this work is to propose a methodology for assessing microcirculation in small animal CEUS studies by investigating original methods to correct for these artefacts. An a posteriori frame selection method has been proposed. This method, based on a Principal Component Analysis and that integrates a priori information about the respiratory frequency, allows the selection of the frames acquired at the same respiratory phase. A method for estimating microbubble attenuation in vivo has also been developed. This method provides a dynamic microbubble-specific sequence without shadowing artefacts and therefore more reliable than available from original sequences. These methods, which have been implemented in a user friendly software, have been applied and validated in renal perfusion studies in a murine and a porcine model. Especially, their interest in assessing tumor microcirculation and the efficacy of an antiangiogenic treatment has been highlighted

L'efficacité du traitement chirurgical du cancer dépend de la localisation précise et de l'ablation complète des lésions tumorales. Dans ce contexte, l'introduction en bloc opératoire de systèmes de détection nucléaire miniaturisés associés à des radio pharmaceutiques pour le marquage des tumeurs permet, en guidant le geste opératoire du chirurgien, de s'assurer en temps réel de la qualité de l'exérèse des tissus cancéreux. L'imageur gamma poci (per-opérative compact imager), qui fait l'objet de cette thèse, a été conçu pour développer et renforcer la technique d'assistance chirurgicale par radio-guidage en apportant un nouvel outil de discrimination entre tissus sains et tissus pathologiques. La phase initiale de recherche des techniques de détection les mieux adaptées a une localisation haute-résolution au contact de la plaie opératoire a abouti au choix d'un imageur modulable élabore autour d'un tube intensificateur d'image lu par une photodiode à localisation bidimensionnelle. La géométrie de deux têtes de détection gamma associant un collimateur à trous parallèles et un scintillateur a ensuite été définie à l'aide de simulations numériques. A partir de ces solutions instrumentales, un premier prototype de poci, possédant un champ de vision de 24 mm de diamètre, a été développé sa caracterisation a mis en evidence une resolution spatiale millimetrique et une efficacité de détection proche de celle des gamma-cameras cliniques, conformement aux previsions numeriques. En collaboration avec l'hôpital Gustave Roussy, l'évaluation clinique de cet imageur per-operatoire a alors été menée sur la localisation transcutanée du ganglion sentinelle pour des patients atteints de mélanomes malins ou de cancers du sein. Les résultats prometteurs obtenus lors de cette étude préliminaire permettent d'envisager, des a présent, de manière favorable, l'utilisation de poci en bloc opératoire et d'étendre son utilisation a d'autres pathologies cancéreuses.

Combinées à des techniques de reconstruction d'image, la magnétoencéphalographie (MEG) et l'électroencéphalographie (EEG) ouvrent de nouvelles perspectives pour l'observation et l'exploration de la dynamique cérébrale à l'échelle locale. Cependant, le problème inverse associé est mal posé et doit être régularisé par l'introduction d'a priori sur le modèle d'image. Les a priori classiques -- par exemple quadratiques en la norme des courants neuronaux -- mènent à des images de l'activité cérébrale qui sont souvent trop lisses pour permettre de localiser de façon précise les générateurs corticaux. Des approches plus spécifiques améliorent théoriquement la détection des distributions de courant plus ou moins étendues mais souffrent de problèmes de passage à l'échelle qui limitent leurs applications. L'objet de ce travail de thèse a été de concilier les deux approches en proposant une méthode multirésolution qui parcellise de façon itérative la surface corticale à partir d'a priori anatomiques et fonctionnels tels que la courbure du cortex et/ou l'utilisation d'atlas provenant d'investigations neuroscientifiques. L'approche d'imagerie multirésolution est abordée ici comme une méthode de sélection de modèle fondée sur le principe d'erreur de validation croisée généralisée. La modélisation des courants générés par des parcelles continues de la surface corticale est réalisée à partir d'un modèle paramétrique compact fondé sur les multipôles de courants équivalents
When combined with image reconstruction techniques, magnetoencephalography (MEG) and electroencephalography (EEG) may open new windows for the observation and exploration of time-resolved brain processes at the local--regional spatial scale. The ill-posedness of the associated inverse problem however, necessitates the introduction of image models as regularizing priors. Basic priors -- e. G. Quadratic in the norm of the expected neural currents -- yield images of brain activity that are often too smeared for the satisfactory elucidation of specific neuroscience questions that focus on localization. On the other hand, more sophisticated prior image models -- even though they would theoretically improve the detection of sparse-focal current distributions -- suffer from scalability issues that imped their practical impact. In this PhD work, my primary objective was to reconcile the best of both approaches. I have derived a multiresolution imaging technique which proceeds iteratively to the fit of image models based on the parcellation of the cortical surface. This latter derives from anatomical and functional priors such as the curvature of the cortical manifold, and/or the coregistration to some atlas relevant to the neuroscience investigation. Technically, the multiresolution imaging technique is approached as an empirical model selection procedure optimized according to the least-generalized cross validation (GCV) error principle. Further, the piecewise current model is adequately approached using a compact parametric model based on equivalent current multipoles

La tomographie d'impedance electrique (t. I. E. ) est une recente methode d'imagerie medicale. Elle a pour but de visualiser la distribution de resistivite a l'interieur d'un milieu, le tissu mammaire dans notre application. Pour cela, on injecte dans ce milieu un courant alternatif par l'intermediaire d'electrodes dites d'apport. Les differences de potentiels engendrees par le passage de ce courant sont mesurees en surface grace a des voltmetres differentiels relies a des electrodes dites de mesure. La resolution finale depend du nombre de mesures. L'impedance electrique des tissus biologiques varie suivant la frequence du signal injecte. Le module et la phase de l'impedance d'un tissu dependent de sa structure, de sa nature et de son etat physiopathologique. Des modifications cellulaires, comme celles qui surviennent en presence d'un cancer, modifient la reponse harmonique d'un tissu. En etablissant la cartographie d'impedance multi-frequentielle d'un tissu, on espere ainsi detecter les heterogeneites localisees sur des zones cancereuses. Les conditions d'apport (impedances d'electrodes elevees) et de mesure (signaux tres faibles, tension de mode commun eleve) engendrent un cahier des charges contraignant et l'obligation de travailler aux limites technologiques des composants. Le travail presente a consiste en l'elaboration et la conception d'un systeme d'acquisition multivoies permettant d'injecter un courant sinusoidal sur une large gamme de frequence, de mesurer en surface 32 differences de potentiels, de preparer et convertir ces donnees qui seront ensuite traitees par un micro-ordinateur. Les resultats obtenus in-vitro et in-vivo confirment la faisabilite de la tomographie d'impedance electrique