Etude du remodelage vasculaire pathologique : de la caractérisation macroscopique en imagerie pulmonaire à l'angiogenèse tumorale en microscopie numérique 3D

par Amele eyram florence Kouvahe

Projet de thèse en Traitement du signal et des images

Sous la direction de Catalin Fetita.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication , en partenariat avec Télécom SudParis (France) (laboratoire) et de Télécom SudParis (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2016 .


  • Résumé

    Le réseau vasculaire peut subir une modification locale ou régionale de sa morphologie (appelée remodelage) sous l'effet d'une pathologie, avec des répercussions fonctionnelles sur les autres mécanismes biologiques qu'il conditionne. Caractériser les propriétés régionales ou locales du système vasculaire permettrait donc d'apporter des informations quantitatives sur l'impact d'une pathologie et/ou d'une action thérapeutique. L'objectif de cette thèse en imagerie médicale est de développer une approche quantitative pour l'analyse des réseaux vasculaires comportant une étape de segmentation spécifique au système imageur utilisé et une étape générique d'analyse morphologique capable d'extraire des marqueurs discriminants de différents phénotypes structuraux. Deux applications cliniques sont envisagées pour appuyer ces développements – une en imagerie pulmonaire en scanner X (tomodensitométrie – TDM) chez l'humain, et l'autre en spectro-imagerie infrarouge 3D, chez le petit animal. Le premier cas d'usage concerne plusieurs affections pulmonaires connues pour induire du remodelage vasculaire – les bronchopathies chroniques obstructives (BPCO) avec leur variante génétique de déficience en alpha-antitrypsine (DAAT), les fibroses pulmonaires et, dans une moindre mesure, l'asthme (sévère) – qui seront particulièrement visées lors des collaborations avec trois services hospitaliers parisiens (Pitié Salpêtrière, Bichat et Avicenne). L'analyse qui en sera développée à partir de l'imagerie TDM 3D thoracique fournira des informations régionales (au niveau des lobes pulmonaires) et, dans une certaine mesure, locales, au niveau des vaisseaux individuels. Ces informations seront corrélées avec les phénotypes connus des différentes pathologies et validées cliniquement. Le deuxième cas d'usage implique des techniques innovantes d'acquisition des données vasculaires en spectro-imagerie infrarouge développées par l'Université de Bordeaux, partenaire dans un projet national FUI en cours. Ces données portent sur la microvascularisation 3D reconstruite à partir de biopsies visant à étudier le processus d'angiogenèse dans le contexte du développement tumoral. A partir de la géométrie microvasculaire reconstruite, la même analyse morphologique développée dans le contexte macroscopique précédent fournira les informations quantitatives recherchées. Des techniques d'affichage en rendu 3D augmenté seront développées pour une analyse visuelle aisée des marqueurs quantitatifs obtenus. Les outils méthodologiques qui seront investigués dans un premiers temps porteront sur les approches (3D) en morphologie mathématique, analyse de graphes et géométrie discrète. Le (la) candidat(e) s'appuiera sur l'expérience et les outils développés dans l'équipe d'accueil pour mener à bien ses recherches. Il (elle) devra être titulaire d'un diplôme Master 2 Recherche (ou équivalent) en lien avec le domaine image (imagerie médicale sera un atout) ou d'un diplôme d'Ingénieur Grande Ecole (montrant un parcours recherche et un minimum de connaissances en traitement d'image). Des compétences en langage de programmation objet sont également requises, les développements devant être effectués en environnement C/C++ (la maîtrise de Matlab est considérée comme un plus). Le doctorant sera accueilli sur le campus de Telecom SudParis, à Evry, dans le département ARTEMIS. Dans le cadre de ce projet FUI, le candidat sera impliqué dans les collaborations en cours et les livrables associés. Une bourse doctorale issue d'un financement projet sera attribuée pour le déroulement de la thèse (durée 3 ans).

  • Titre traduit

    Analysis of pathological remodelling of vascular networks: from a macroscopic characterisation in CT pulmonary imaging to tumoral angiogenesis in 3D digital pathology


  • Résumé

    Pathology can affect the morphology of the vascular network locally or regionally (process called remodelling) with direct functional impact on related biological mechanisms. Assessing the local/regional properties of the vascular system could thus quantitatively inform on the impact of a disease and/or of a therapeutic protocol. The objective of this research in medical imaging is to develop a quantitative approach for the vascular network investigation including a segmentation step, which is specific to the imaging system employed, and a general step of morphological analysis able to extract markers discriminative of different structural phenotypes. Two clinical applications are targeted by this thesis, first in computed tomography (CT) pulmonary imaging (in humans) and second, in 3D infrared spectroscopic imaging (in small animal). The first use case concerns several pulmonary diseases known to induce vascular remodelling – the chronic obstructive pulmonary diseases (COPD) with their genetic variant of deficiency in alpha-antitrypsin (AATD), pulmonary fibrosis and, in a lesser extent, (severe) asthma will be particularly addressed throughout collaborations with three hospital services in Paris area (Pitié Salpêtrière, Bichat and Avicenne). The developed analysis tools based on 3D thorax CT imaging will provide a quantitative insight at regional (lung lobe) and local (vascular segment) levels. The extracted parameters will be correlated with known phenotypes of these diseases and validated clinically. The second use case exploits novel imaging techniques in acquiring vascular data based on infrared 3D spectroscopic imaging developed by University of Bordeaux, our partner in a French project consortium. These data describe the 3D microvascularisation reconstructed from biopsy samples and aim at studying the angiogenesis process during the tumour development. Based on the segmented microvascular geometry, the same morphological analysis developed in the previous (macroscopic) framework will provide the quantitative information for vascular network characterisation. Additional approaches of 3D augmented rendering will be developed in order to display this information in a convenient way for clinical investigation. The methodological tools which will be investigated in a first phase will turn towards (3D) mathematical morphology approaches, graph analysis and discrete geometry. The candidate will take benefit from the knowledge and tools acquired in the hosting team to develop his/her research. The candidate should have obtained a Master 2 degree (or equivalent) in a discipline close to image analysis (medical imaging would be a competitive asset) or a French Grande Ecole Engineer degree (showing an initiation to research and a minimal level of knowledge in image processing). Programming skills in object-oriented language are required since the integration of future developments is constrained by a C/C++ environment (utilisation of Matlab is appreciated for a rapid testing of algorithms). The candidate should show high motivation for working in (medical) imaging domain, autonomy, professionalism and team spirit. The PhD student will be integrated in the ARTEMIS department of Telecom SudParis (Evry campus). He/she will be involved in the collaborative project(s) developed around each research theme and will be in charge with part of the due deliverables. A scholarship will be allocated for the whole 3 years period of the doctoral research.