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Preeclampsia (PE) and intrauterine growth retardation (IUGR) are two pathologies of placental origin characterized by the existence of alterations in maternal-fetal exchanges and a lack of vascularization.PE and IUGR are the leading cause of perinatal morbidity and mortality in developed countries. There is no "curative" treatment: only preterm birth can prevent adverse perinatal outcomes. Aspirin, started in the first trimester, is the only preventive treatment available; however, it has only been shown to be effective in women with a personal history of IUGR or PE. In the absence of a personal history, there is currently no validated individual screening test.Since the 1950s, the pathophysiological hypothesis has been based on the presence of trophoblastic plugs which, by their presence up to 12 weeks of gestation (WG), prevent maternal blood from entering the placenta (in the intervillous space ), thus offering a hypoxic environment favorable to the proper development of trophoblast cells, guaranteeing their future functionality. The too early disappearance of the "plugs" would lead to cellular oxidative stress responsible for the development of placental vascular pathologies.The theory of these trophoblastic "plugs" is now obsolete, since in 2017, Roberts showed, thanks to contrast enhanced ultrasound, an innovative functional imaging technique, that the placenta was in fact perfused by maternal blood as early as 6 WG. This dogma of trophoblastic "plugs" having been called into question, it is essential to formulate new pathophysiological hypotheses, especially since the absence of a reliable screening method is the direct consequence of this ignorance of pathophysiological mechanisms. The objective of this thesis was to address these two issues, the pathophysiological hypothesis and screening, by using functional imaging tools for the exploration of the placenta in vivo in the first trimester.Contrast ultrasound was used to explore pathophysiological mechanisms. This work began with an initial evaluation on an animal model before carrying out an exploratory study on a cohort of 42 women in the first trimester (HOPE study). For early detection purposes, 3D Doppler echo-angiography was evaluated on a cohort of 2200 women (SPIRIT study).The results of this work confirm the existence of an early placental perfusion which calls into question all the pathophysiological hypotheses of preeclampsia and intrauterine growth retardation so far formulated. The impact of maternal hemodynamics is also raised, which makes it possible to consider a new approach that is both diagnostic and therapeutic.3D Doppler ultrasound and contrast ultrasound are two innovative functional imaging techniques that have been used to better understand the pathophysiological mechanisms and consider individual screening for placental pathologies., La prééclampsie (PE) et le retard de croissance intra-utérin (RCIU) sont deux pathologies d'origine placentaire caractérisées par l'existence d'altérations des échanges materno-fœtaux et un défaut de vascularisation. PE et RCIU sont la principale cause de morbi-mortalité périnatale dans les pays développés. Il n'existe pas de traitement « curatif » étiologique : seule une naissance prématurée peut permettre d'éviter les issues défavorables. L'aspirine, débutée au premier trimestre, est le seul traitement préventif disponible : il n'a cependant fait la preuve de son efficacité que chez les femmes présentant un antécédent personnel de RCIU ou PE. En l'absence d'antécédent personnel, il n'existe actuellement aucun test de dépistage individuel validé. Depuis les années 50, l'hypothèse physiopathologique est basée sur la présence de « plugs » ou bouchons trophoblastiques qui, par leur présence jusqu'à 12 semaines d'aménorrhée (SA), empêchent le sang maternel de pénétrer dans le placenta (au niveau des chambres inter-villeuse), offrant ainsi un environnement hypoxique favorable au bon développement des cellules trophoblastiques, garant de leur fonctionnalité future. La disparition trop précoce des « plugs » entrainerait un stress oxydant cellulaire responsable du développement des pathologies vasculaires placentaires.La théorie de ces « plugs » trophoblastiques est à présent caduque, puisqu'en 2017, Roberts a montré, grâce à l'échographie de contraste, technique d'imagerie fonctionnelle innovante, que le placenta était en réalité perfusé par le sang maternel dès 6 SA. Ce dogme des « plugs » trophoblastiques ayant été remis en cause, il est primordial de formuler de nouvelles hypothèses physiopathologiques d'autant plus que l'absence de méthode fiable de dépistage est la conséquence directe de cette méconnaissance des mécanismes physiopathologiques. L'objectif de cette thèse était de répondre à ces deux problématiques, l'hypothèse physiopathologique et le dépistage, en utilisant des outils d'imagerie fonctionnelle pour l'exploration du placenta in vivo au premier trimestre.L'échographie de contraste a été utilisée pour l'exploration des mécanismes physiopathologiques. Ce travail a débuté par une première évaluation sur modèle animal avant de réaliser une étude exploratoire sur une cohorte de 42 femmes au premier trimestre (étude HOPE). A des fins de dépistage précoce, c'est l'écho-angiographie Doppler 3D qui a été évaluée sur une cohorte de 2200 femmes (étude SPIRIT).Les résultats de ce travail confirment l'existence d'une perfusion placentaire précoce qui confirme la remise en cause de l'ensemble des hypothèses physiopathologiques de la prééclampsie et du retard de croissance intra-utérin jusqu'ici formulées. L'impact de l'hémodynamique maternelle est par ailleurs soulevé, ce qui permet d'envisager une nouvelle approche à la fois diagnostique et thérapeutique.L'écho-angiographie Doppler 3D et l'échographie de contraste sont deux techniques d'imagerie fonctionnelle innovantes qui ont été mises à profit pour mieux comprendre les mécanismes physiopathologiques et envisager un dépistage individuel des pathologies placentaires.

Pathologies of pregnancy associated with placental dysfunctions such as Intra-Uterine Growth Restriction and Pre-Eclampsia, or also Placenta Accreta Spectrum (PAS) disorders are responsible of an important morbidity-mortality of the mother and/or the fetus. 2D ultrasound has reached its limits for the detection of these pathologies, with a low sensitivity and specificity. Regarding MRI, it provides various morphological and functional information with a high spatial resolution, making it a very promising technique to explore placental function. Furthermore, MRI is non-invasive and can be performed during pregnancy without injection of contrast agent, and excluding the first trimester according to precautionary principle. The aim is to study potentially relevant parameters for the screening of these pathologies, obtained by different non-injected MRI techniques, to better characterize and quantify placental function. In this clinical context, techniques providing quantitative information on placental perfusion and/or oxygenation are of particular interest.In this research work, we focus on the technique IVIM (Intra-Voxel Incoherent Motion) to obtain an information on placental perfusion, and on the measurement of relaxation times T2 and T2* which are the reflect of placental oxygenation, with the purpose to propose an appropriate MRI acquisition protocol in the context of screening of PAS disorders, and to assess it within the clinical protocol DIANE (MRI screening of Placenta Accreta Spectrum disorders) established with the CIC-IT, Nancy. As a first step, preclinical data obtained on pregnant rabbits have been analyzed to underline the interest of T2 and T2* measurement in the placenta. Then, a study on phantom and on non-pregnant healthy volunteers have been conducted, in order to compare different T2 quantification strategies in the abdominal-pelvic region for clinical use. Finally, an MRI acquisition protocol for placenta imaging dedicated to PAS disorders has been established, and has been optimized on the first volunteers of the clinical protocol DIANE., Les pathologies de la grossesse liées à des dysfonctions placentaires telles que le Retard de Croissance Intra-Utérin et la Pré-éclampsie, ou encore les troubles du spectre du placenta Accreta (PAS) sont associées à d’importantes morbi-mortalité fœtales et maternelles. Pour le dépistage de ces pathologies, l’échographie 2D a atteint ses limites avec une sensibilité et une spécificité basses. L’IRM, quant à elle, permet de fournir des informations morphologiques et fonctionnelles variées avec une bonne résolution spatiale, ce qui en fait un outil de choix pour l’exploration de la fonction placentaire. De plus, cet examen est non invasif et peut être réalisé en cours de grossesse sans injection de produit de contraste, et à l’exclusion du premier trimestre par principe de précaution. L’objectif est alors d’étudier des paramètres qui se révéleraient pertinents pour le dépistage de ces pathologies, obtenus par différentes techniques IRM non-injectées, permettant de mieux caractériser et quantifier la fonction placentaire. En particulier, il semble judicieux dans ce contexte clinique d’utiliser des techniques délivrant une information (idéalement quantitative) sur la perfusion placentaire et/ou l’oxygénation placentaire.Dans ces travaux, nous nous sommes notamment intéressés à la technique IVIM (Intra-Voxel Incoherent Motion) pour obtenir une information sur la perfusion placentaire, et à la mesure des temps de relaxation T2 et T2* qui sont le reflet de l’oxygénation placentaire, avec l’objectif d’établir un protocole d’acquisition IRM approprié dans le contexte du dépistage des PAS, et de l’évaluer dans le cadre du protocole clinique DIANE (Dépistage par Irm des Anomalies d’adhésioN placEntaire) mis en place avec le CIC-IT de Nancy. Dans un premier temps, des données précliniques obtenues chez la lapine gestante ont été analysées afin de mettre en avant l’intérêt d’une mesure des temps de relaxation T2 et T2* dans le placenta. Une étude a ensuite été menée sur fantôme et sur volontaires sains en dehors de la grossesse, afin de comparer différentes stratégies de quantification du T2 en région abdomino-pelvienne compatibles avec une utilisation clinique. Enfin, un protocole d’acquisition IRM pour l’imagerie du placenta dédié au contexte des PAS a été mis en place, et a commencé à être évalué sur les premières volontaires du protocole clinique DIANE.

Heart failure represents a major public health issue in western world. It is a complex syndrome that could be the cause and/or the consequence of underlying pathologies such interstitial diffuse fibrosis. Magnetic Resonance Imaging (MRI) is the reference imaging modality for soft tissue assessment and especially the myocardium. Several imaging biomarkers such relaxation time T1 or extracellular volume fraction (ECV) have proven their diagnostic power in term of sensitivity and specificity. MRI with contrast agent injection has also demonstrated its usefulness in diagnostic of post-infarct local fibrosis for instance. Dynamic contrast enhancement (DCE) is widely investigated for its supposed ability to discriminate areas from which perfusion/permeability properties have been altered by the presence of fibrosis deposition. We hypothesized that the quantification of myocardial permeability and the estimation of the extracellular extravascular volume fraction Ve could led to a better detection of diffuse fibrosis. Consequently, we investigated the possibility of a shorter protocol for the evaluation of ECV. In this manuscript, we first present the methodological developments that allow the quantitative analysis of DCE cardiac MRI. This implied the development of a post-processing method for Arterial Input Function reconstruction, allowing DCE quantification without the need of specific sequences or protocols. A post-processing algorithm for perfusion images registration have been developed for pixel-wise parametric maps reconstruction. Data acquisition have been simulated in a Monte-Carlo fashion in order to assess the impact of acquisition strategies on parameters accuracy. This eventually led to the design of the shortest possible imaging strategy for Ve quantification. Secondly, clinical results obtained with our quantitative DCE analysis framework have been confronted to those obtained with classical ECV method for diffuse fibrosis detection. Correlation between those two parameters have been found a group of 12 patients presenting mitral valve prolapses. Permutation test on Ve distribution allowed us to show a significant difference between two groups the same way the ECV values did. The presented work describes a full quantitative DCE analysis framework that could allow to a shorter imaging protocol for extracellular extravascular estimation for diffuse myocardial fibrosis diagnosis., L’insuffisance cardiaque est un enjeu de santé publique majeur dans les pays occidentaux. Ce syndrome complexe peut être la résultante de pathologies sous-jacentes du myocarde comme le dépôt de fibrose, diffusant sur l’ensemble du tissu myocardique. L’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) est la modalité de référence dans l’exploration clinique des tissus mous du tissu myocardique. Plusieurs biomarqueurs d’IRM comme le temps de relaxation T1 ou encore la quantification du volume extracellulaire (ECV) ont révélé leur utilité clinique dans le diagnostic de fibroses localisées. L’IRM avec injection de produit de contraste a également montré son fort pouvoir diagnostic dans la détection de lésions post-infarctus. Le suivi dynamique de rehaussement de contraste (DCE) semble être une technique prometteuse dans la différenciation de zones dont la perfusion/perméabilité tissulaire est altérée par un dépôt fibrotique. Dans ces travaux de thèse, nous sommes partis de l’hypothèse que la quantification de la perméabilité cardiaque et l’extraction du volume extracellulaire extravasculaire Ve, permettraient la détection de lésions diffuses avec comme corolaire un raccourcissement de la durée totale d’examen pour l’estimation de l’ECV. Ce mémoire présente dans un premier temps, les travaux méthodologiques mis en œuvre pour permettre l’analyse quantitative DCE myocardique. Pour cela, une méthode de reconstruction de fonction d’entrée artérielle est présentée afin de permettre la quantification DCE sans séquence ou protocole spécifique. Un algorithme de recalage des images dynamiques est décrit, afin de rendre possible l’analyse sous forme de cartes paramétriques. Les conditions d’acquisition des données ont également été étudiées par simulations de Monte-Carlo et cela a permis de proposer un protocole le plus court possible pour l’estimation de Ve. Dans un second temps, les résultats obtenus par analyse DCE ont été comparés aux résultats obtenus par analyse ECV dans le diagnostic de fibrose diffuse. Une corrélation entre ces deux paramètres a été démontrée sur un groupe de 12 patients présentant un prolapsus de la valve mitrale. Un test de permutation a permis de séparer l’échantillon en deux sous-groupes de manière équivalente à l’ECV. Ces travaux de thèse proposent un flux de post traitement complet d’analyse quantitative DCE myocardique et ouvrent la voie à une estimation plus rapide du volume extracellulaire pour la quantification de la fibrose diffuse myocardique.

Cardiac Magnetic Resonance Imaging (MRI) has experienced growing interest due to its great potential in myocardial tissue characterization. Myocardium T1 values can be considered a useful imaging biomarker. Although many different T1 mapping techniques already exist, accurate and precise myocardial T1 quantification remains a desired yet challenging goal. Cardiac T1 mapping necessitates high precision to: i) discriminate values within the relatively short range of T1 values in healthy and diseased tissues, ii) allow both pre and post contrast agent injection T1 assessment, which is mandatory to compute the ECV and iii) allow comparison across platforms and hospitals. It should also provide a T1 value independent of heart rate. Among published methods, not any of them offer an “ideal” T1 quantification method. The main aim of this work is to optimize and to validate a precise and accurate quantitative T1 mapping technique. In order to achieve this goal, the sequence called « SMART1Map » based on the saturation recovery curve sampling was used. The first step consisted in performing T1 measurements on phantoms and healthy volunteers at 1,5T and 3T. Although this study allowed to assess accurate myocardium T1 values close to literature ones (1150 ± 84 ms), the sequence showed a poor precision likely due to a lack of robustness to magnetic field inhomogeneties and frequency offsets. Optimization (including simulation, implementation and tests) of the saturation RF pulse used in the sequence was carried out in phantoms then on healthy subjects at 3T. From this development, fibrosis detection through T1 measurements in clinical studies can now be started at 1.5T and 3T, L’imagerie par résonance magnétique (IRM) est un outil de choix pour la caractérisation tissulaire in vivo. Il est démontré que la mesure d’un temps caractéristique en IRM, appelé « T1 », est corrélée à la composition du tissu. Justesse et reproductibilité sont requises dans la mesure du T1 pour : i) discriminer les valeurs de T1 des tissus sains et fibrosés dont la gamme de valeurs est assez restreinte, ii) permettre la mesure avant et après injection d’agent de contraste et iii) comparer les valeurs de T1 entre sites et constructeurs. A ce jour, aucune des techniques publiées n’est en mesure de fournir une mesure de T1 « idéale ». L’objectif principal de cette thèse est d’optimiser et de valider une technique de mesure du T1 sur le myocarde, qui se propose d’allier ces deux qualités. Pour atteindre cet objectif, nous avons travaillé la séquence appelée « SMART1Map » basée sur le principe d’échantillonnage d’une courbe de saturation-récupération. Des essais sur objets tests et sur volontaires à 1,5T et 3T ont d’abord été réalisés. Bien que les valeurs moyennes de T1 mesurées chez 7 sujets étaient justes et correspondaient à la littérature (1150 ± 84 ms à 1,5T), les résultats ont montré une faible reproductibilité imputable en partie à un manque de robustesse de la séquence vis-à-vis des inhomogénéités de champ magnétique particulièrement importantes à 3T. L’optimisation (simulation, implémentation et tests) de l’impulsion radiofréquence de saturation constitutive de la séquence a été mise en œuvre à 3T, sur objets fantômes, puis sur volontaires sains. Ces travaux ouvrent la voie à la mise en place de mesure de biomarqueur IRM de la fibrose

T1 mapping is a useful quantitative MR technique for cardiac tissue characterization. Several studies have shown that T1 measurements are correlated with fibrosis, which is observed in cardiac diseases such as cardiomyopathy or myocardial infarction. However, cardiac T1 mapping remains challenging, mainly because of long acquisition times and interference from cardiac and respiratory motions. T1 quantification on the human myocardium is generally performed on breath-hold with 2D specific sequences. Unfortunately these sequences are scanner specific and poorly available for clinical use. To overcome these limitations, we propose a new method based on a 3D clinical sequence. This technique, using a variable flip angle approach that integrates B1 correction, was adapted in cardiac imaging. Phantom tests were used to select the optimal parameters and to show the method reproducibility. Then, the method was validated with a volunteer study using double synchronization (cardiac and respiratory). Moreover, a reconstruction method integrating physiological signals of motion was also used to perform T1 quantification in free breathing and to reduce the total acquisition time. The myocardial T1 values on volunteers ranged between 1289 ± 66 ms and 1376 ± 43 ms, which was in good agreement with previously published works. These studies allow the use of T1 mapping in patients with better characterization of pathologies and a better adaptation to therapeutic strategies, La cartographie du temps de relaxation longitudinale T1 est une technique d'IRM quantitative pour caractériser les tissus myocardiques. Plusieurs études ont déjà montré la corrélation entre la mesure de T1 et la présence de fibrose. Celle-ci est souvent observée dans les pathologies cardiaques telles que les cardiomyopathies ou l'infarctus du myocarde. Cependant, l'acquisition d'une carte T1 du coeur reste techniquement difficile. Actuellement, la quantification T1 du myocarde humain est réalisée en apnée à l'aide de séquences 2D qui sont spécifiques aux constructeurs et donc peu disponibles. Afin de pallier aux limitations de ces séquences, nous proposons une méthode basée sur une séquence 3D clinique. Cette technique, utilisant la variation des angles de bascule avec intégration d'une correction B1, a été adaptée pour une utilisation en imagerie cardiaque. Des essais sur fantôme ont permis de sélectionner les paramètres optimaux et de montrer la reproductibilité de la méthode. Puis, une étude sur volontaires sains a permis de valider la méthode en double synchronisation (cardiaque et respiratoire). Enfin, une méthode de reconstruction intégrant des signaux physiologiques de mouvement a également été utilisée afin de faire de la quantification T1 en respiration libre et de diminuer le temps d'acquisition. Les valeurs de T1 myocardique sur volontaires sont comprises entre 1289 ± 66 ms et 1376 ± 43 ms, correspondant aux valeurs de la littérature. Ces travaux ouvrent la voie à l'utilisation de la cartographie T1 chez les patients avec pour objectifs une meilleure caractérisation des pathologies et une meilleure adaptation des stratégies thérapeutiques

T1 mapping is a useful quantitative MR technique for cardiac tissue characterization. Several studies have shown that T1 measurements are correlated with fibrosis, which is observed in cardiac diseases such as cardiomyopathy or myocardial infarction. However, cardiac T1 mapping remains challenging, mainly because of long acquisition times and interference from cardiac and respiratory motions. T1 quantification on the human myocardium is generally performed on breath-hold with 2D specific sequences. Unfortunately these sequences are scanner specific and poorly available for clinical use. To overcome these limitations, we propose a new method based on a 3D clinical sequence. This technique, using a variable flip angle approach that integrates B1 correction, was adapted in cardiac imaging. Phantom tests were used to select the optimal parameters and to show the method reproducibility. Then, the method was validated with a volunteer study using double synchronization (cardiac and respiratory). Moreover, a reconstruction method integrating physiological signals of motion was also used to perform T1 quantification in free breathing and to reduce the total acquisition time. The myocardial T1 values on volunteers ranged between 1289 ± 66 ms and 1376 ± 43 ms, which was in good agreement with previously published works. These studies allow the use of T1 mapping in patients with better characterization of pathologies and a better adaptation to therapeutic strategies; La cartographie du temps de relaxation longitudinale T1 est une technique d'IRM quantitative pour caractériser les tissus myocardiques. Plusieurs études ont déjà montré la corrélation entre la mesure de T1 et la présence de fibrose. Celle-ci est souvent observée dans les pathologies cardiaques telles que les cardiomyopathies ou l'infarctus du myocarde. Cependant, l'acquisition d'une carte T1 du coeur reste techniquement difficile. Actuellement, la quantification T1 du myocarde humain est réalisée en apnée à l'aide de séquences 2D qui sont spécifiques aux constructeurs et donc peu disponibles. Afin de pallier aux limitations de ces séquences, nous proposons une méthode basée sur une séquence 3D clinique. Cette technique, utilisant la variation des angles de bascule avec intégration d'une correction B1, a été adaptée pour une utilisation en imagerie cardiaque. Des essais sur fantôme ont permis de sélectionner les paramètres optimaux et de montrer la reproductibilité de la méthode. Puis, une étude sur volontaires sains a permis de valider la méthode en double synchronisation (cardiaque et respiratoire). Enfin, une méthode de reconstruction intégrant des signaux physiologiques de mouvement a également été utilisée afin de faire de la quantification T1 en respiration libre et de diminuer le temps d'acquisition. Les valeurs de T1 myocardique sur volontaires sont comprises entre 1289 ± 66 ms et 1376 ± 43 ms, correspondant aux valeurs de la littérature. Ces travaux ouvrent la voie à l'utilisation de la cartographie T1 chez les patients avec pour objectifs une meilleure caractérisation des pathologies et une meilleure adaptation des stratégies thérapeutiques