Développement d'interfaces micro/nano pour la capture d'espèces biologiques in vivo

Brain diseases today remain poorly understood due to the lack of access to the biological information contained in tissues. As cognitive functions are largely distributed in multiple functionnal areas in the brain, even as the CNS anatomy is complex, mapping and understanding of the molecular processes associated to diseases remain a challenging domain. Getting access to the brain and being able to sample tissues without any damages is a major stake. This is gaining in interest given the fact that neurodegenerative diseases and cancers are exponentially occuring in occidental population, thus becoming a public health problem.Our lab has recently developed, patented and validated an innovative surgical device allowing atraumatic tissue microfragments bioharvesting in the deep brain thanks to the use of silicon chips. This new concept, refered to as "tissue imprints", is under evaluation in a clinical trial dedicated to brain tumors investigation. Nevertheless, some technical and technological bets were to solve for extending that approach in next generations of that device. Thus, this PhD thesis has allowed the development of a new strategy regarding the material, paving the way to a use not only restricted to brain tumours but also for targeting highly functionnal, deep brain nuclei implied in neurodegenerative diseases (Alzheimer's disease, Parkinson's disease) and even other organs.A porous silicon fabrication process in clean rooms has arised and was fully validated from cell culture to big animals, preparing a clinical transfer of that approach. Additionnaly, in order to increase the accuracy of the surgical procedure, we evaluated the feasibility to couple the device with a fluorescence detection system. This work has highlighted the strong applicative potential of such a device coming from the coupling of both optical detection and molecular harvesting. Fully integrated prototype development will require some adjustments but we now are able to demonstrate that our approach is operationnal and we now can specify all the requirements.As a conclusion, this work constitutes a solid base for a large extension of our primary concept with the overall integration of all the prerequisites for a clinical transfer at patients' bedside.Un grand nombre de pathologies cérébrales demeurent aujourd’hui incomprises par manque d’accès à l’information biologique contenue dans le tissu. L’anatomie complexe du système nerveux central et la distribution des grandes fonctions cognitives en réseaux d’aires fonctionnelles rend difficile la cartographie et la compréhension fine des mécanismes associés à la pathologie. Accéder au cerveau et se rendre capable d’y prélever du tissu sans dommages constitue donc un enjeu majeur. Ceci est d’autant plus vrai que, dans les populations occidentales, les cancers et les maladies neurodégénratives voient leurs incidences croître de manière quasi exponentielle, faisant d’elles un défi majeur en terme de santé publique dans les décennies qui viennent.Les travaux du laboratoire ont permis le développement d’un outil chirurgical innovant, basé sur l’utilisation de puces en silicium, pour autoriser le prélèvement de micro fragments de tissus dans le cerveau, de manière atraumatique. Ce concept d’ « empreinte » biologique sur silicium est en cours de validation chez l’Homme dans un essai clinique dédié à l’analyse des tumeurs. Cependant, plusieurs défis techniques restaient à solder pour préparer la voie à des versions ultérieures de ce dispositif. Ainsi, ce travail de thèse a permis de préparer une nouvelle stratégie matériau pour aborder non plus seulement les tumeurs cérébrales mais également les territoires profonds, ultra fonctionnels, impliqués dans les maladies d’Alzheimer ou de Parkinson, voire des pathologies d’autres organes (foie, poumon, prostate…). Un procédé de fabrication de silicium poreux a été entièrement validé en salle blanche, et nous avons testé l’ensemble de la cellule au gros animal, préparant un usage règlementaire chez l’Homme.Par ailleurs, dans l’idée d’améliorer la précision du geste chirurgical, nous avons pu évaluer la faisabilité d’associer notre concept avec un système de détection de fluorescence de type micro endoscopie confocale fibrée. Ce travail a permis de mettre en évidence un fort potentiel applicatif né du couplage, ayant été reconnu par le dépôt d’un brevet. De nombreux défis techniques restent sur la voie pour parvenir à un protoype robuste de « dispositif d’empreinte optiquement guidé dans le cerveau », mais nous parvenons à établir la faisabilité et à spécifier le cahier des charges pour un dispositif futur.En conclusion, nous avons pu, au travers de ce travail, préparer la voie pour un élargissement considérable du concept princeps, en intégrant dès les phases amont toutes les contraintes règlementaires pour viser un transfert rapide de ces développements au lit du malade

Apport de l'assistance par ordinateur lors de la pose d'endoprothèse aortique

The development of endovascular aortic procedures is growing. These mini-invasive techniques allow a reduction of surgical trauma, usually important in conventional open surgery. The technical limitations of endovascular repair are pushed to special aortic localizations which were in the past decade indication for open repair. Success and efficiency of such procedures are based on the development and the implementation of decision-making tools. This work aims to improve endovascular procedures thanks to a better utilization of pre and intraoperative imaging. This approach is in the line with the framework of computer-assisted surgery whose concepts are applied to vascular surgery. The optimization of endograft deployment is considered in three steps. The first part is dedicated to preoperative imaging analysis and shows the limits of the current sizing tools. The accuracy of a new measurement criterion is assessed (outer curvature length). The second part deals with intraoperative imaging and shows the contribution of augmented reality in endovascular aortic repair. In the last part, image guided surgery on soft tissues is addressed, especially the arterial deformations occurring during endovascular procedures which disprove rigid registration in fusion imaging. The use of finite element simulation to deal with this issue is presented. We report an original approach based on a predictive model of deformations using finite element simulation with geometrical and anatomo-mechanical patient specific parameters extracted from the preoperative CT-scan.Les techniques endovasculaires, particulièrement pour l’aorte, sont en plein essor en chirurgie vasculaire. Ces techniques mini-invasives permettent de diminuer l’agression chirurgicale habituellement importante lors de la chirurgie conventionnelle. Les limites techniques sont repoussées à certaines localisations de l’aorte qui étaient il y a encore peu de temps inaccessibles aux endoprothèses. Le succès et l’efficience de ces interventions reposent en partie sur l'élaboration et la mise en œuvre de nouveaux outils d'aide à la décision. Ce travail entend contribuer à l’amélioration des procédures interventionnelles aortiques grâce à une meilleure exploitation de l’imagerie pré et peropératoire. Cette démarche s’inscrit dans le cadre plus général des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur, dont les concepts sont revisités pour les transposer au domaine de la chirurgie endovasculaire. Trois axes sont développés afin de sécuriser et optimiser la pose d'endoprothèse. Le premier est focalisé sur l’analyse préopératoire du scanner (sizing) et montre les limites des outils de mesure actuels et évalue la précision d’un nouveau critère de mesure des longueurs de l’aorte (courbure externe). Le deuxième axe se positionne sur le versant peropératoire et montre la contribution de la réalité augmentée dans la pose d’une endoprothèse aortique. Le troisième axe s’intéresse au problème plus général des interventions sur les tissus mous et particulièrement aux déformations artérielles qui surviennent au cours des procédures interventionnelles qui mettent en défaut le recalage rigide lors de la fusion d’images. Nous présentons une approche originale basée sur un modèle numérique de prédiction des déformations qui utilise la simulation par éléments finis en y intégrant des paramètres géométriques et anatomo-mécaniques spécifique-patient extraits du scanner préopératoire

Perception spatiale et compétences motrice : approche développement et neuropsychologique

Spatial perception and motor skills : a developmental approachLes théories qui modélisent la perception spatiale chez l'adulte s'accordent à postuler l'existence de liens forts entre la perception et l'action(James, 1892 ; Poincaré, 1902 ; Gibson, 1979 ; Noe, 2004). Une vaste collection de données montre également que ces liens sont présents dans le développement ontogénétique. Ce travail de thèse vise à examiner les implications de tels liens dans le développement de la perception spatiale et d'en identifier les déterminants chez l'enfant. Nous avons mené une série d'expériences, basée sur l'utilisation des paradigmes d'atteignabilité et d'amorçage visuomoteur, autour de la problématique de l'élaboration et l'utilisation des représentations perceptives et sensorimotrices dans la perception spatiale. Nous avons mené ces expériences chez une population d'adultes et d'enfants âgées de 7 à 13 ans avec l'objectif d'évaluer la trajectoire développementale de la perception spatiale. Les résultats obtenus mettent en évidence des discontinuités dans les trajectoires développementales des différentes tâches proposées. Nous avons mis en évidence les marqueurs de ces changements développementaux dans les performances des tâches d'atteignabilité, d'imagerie motrice et également d'amorçage visuomoteur. Nous interprétons ces résultats comme relevant d'un changement qualitatif de la perception spatiale durant cette période. D'une manière générale, les travaux présentés dans cette thèse apportent des données nouvelles sur le développement de la perception spatiale chez l'enfant, et sont mis en relation avec la littérature en psychologie et en neurosciences du développement

Quelques contributions à l'imagerie médicale multimodale et interventionnelle

The research works briefly reviewed in this dissertation deal with questions related tomultimodal and interventional medical imaging within two application frameworks. First, multimodaldynamic data acquisition of a speaking person is addressed (sound, ultrasound images,electromagnetic motion capture sensors,...). Registration, synchronization and segmentation techniquesare described in a view to build statistically founded models of the vocal tract. A secondcontext is provided by interventional neuroradiology, an image-guided therapy technique. Thegoal is to improve the interventionalist's visual experience through a better integration of the3D rotational angiography into the operating room. It is first shown how this 3D pre-operativeimage can be superimposed onto the live intra-operative video image feed. Besides, a real-timealgorithm is developed to reconstruct the surgical micro-tool in 3D from two X-ray views, tolocate it in the 3D image. Then, a new 3D model of the vessel tree is presented, that is adaptedto interactive simulation of the therapeutic gesture. This paves the way towards more realisticand predictive models of the surgical scene. The long term objective is to make a 3D and dynamicview of this scene available to the interventionalist during the operation.Les travaux de recherche repris de manière synthétique dans ce mémoire, abordentles questions liées à l'imagerie médicale multimodale et interventionnelle dans deux contextesapplicatifs. Le premier traite de l'acquisition de données multimodales dynamiques (son, imageséchographiques, capteurs de mouvement électromagnétiques, . . . ) chez un locuteur. Des procé-dés de recalage, de synchronisation et de segmentation de ces données sont décrits pour bâtirdes modèles du conduit vocal associés à une variabilité statistique. Le deuxième s'intéresse à laneuroradiologie interventionnelle, thérapie guidée par l'image radiologique. En vue d'améliorerl'expérience visuelle du praticien, un premier ensemble de travaux traite de l'intégration de l'angiographierotationnelle 3D dans la salle d'opération d'une part en la superposant aux imagesper-opératoires, et d'autre part en y replaçant le micro-outil chirurgical reconstruit en temps interactifà partir de deux vues radiologiques. Enfin, un modèle d'arbre vasculaire 3D est présenté,adapté à une simulation physique interactive du geste thérapeutique. La voie est ainsi ouverte audéveloppement de modèles plus réalistes et plus prédictifs de la complexité de la scène chirurgicale.L'objectif est à terme d'offrir une vue 3D et dynamique de cette scène pendant l'opération